图 2 模块化多电平子模块类型
则有：
ìïipj í îïinj
= =
i cirj i cirj
+ -
1 2
i
sj
1 2
i
sj
（2）
交流侧电压为 vj ，列写上下两个桥臂的 KVL 方
程，有：
ìïïvj í îïïvj
= =
1 2
-
Vdc - vpj - L
1 2
Vdc
+
vnj
+
dipj
dt
L
dinj dt
出，上、下桥臂电感对于输出电压而言为并联关系，并
作为输出电感的一部分与输出等效阻抗相串联，从而
可以将等效的桥臂输出点前移到 j′ 点，桥臂输出电压
为 vj′ ，则有：
vj′
=
1 2
(v
nj
- vpj) =(Ls
+
1 2
L)
disj dt
+
v sj
（5）
（c） 双箝位模块
（d） 箝位型三电平模块
（e） 飞跨电容型三电平模块
明，最近电平调制法简单、易实现，一般结合排序算法实现电容电压平衡，适用于子模块数较多的场合，载波移相法的等效开关频率
较高，输出电压谐波小，可以利用闭环算法或者排序算法实现电容电压平衡，在子模块数较少时仍可适用。
关键词：模块化多电平变换器；直流输电；阶梯波调制；载波移相调制；电容电压平衡
中图分类号：TM464 文献标志码：A
0引 言
电能是现代社会不可缺少的能源，随着世界经济 的飞速发展，各行各业对电力的需求越来越大，因此 造成的能源短缺、环境污染等问题日益严重。在这种
背景下，以风力发电、太阳能发电为代表的可再生能 源发电技术正逐渐成为未来电力技术的发展方向和 研究热点［1］。但这些清洁能源存在位置分散、远离负 荷中心等特点，基于电压源变换器（VSC）的柔性直流 输电系统（VSC-HVDC）由于其经济、灵活、电能质量
1 拓扑结构及工作原理
1.1 拓扑结构 三相模块化多电平变换器拓扑结构如图 1 所示。
图 1 中每一个标有 SM 的方块均代表一个子模块。在
不考虑冗余的情况下，模块化 N +1 电平变换器由 6N 个子模块组成，每相有 2N 个子模块，上、下桥臂各包 含 N 个依次串联的子模块和一个桥臂电感 L ，每相的 输出从两个桥臂电感之间引出。
效电路，并总结了各种子模块拓扑的应用场合。同时针对 MMC 不同的调制方法，利用精确的解析表达式对其线性度、谐波特性进行
了比较分析。针对 MMC 不同的电容电压平衡策略，从系统成本、控制复杂度、系统损耗分布等方面进行了比较研究。介绍了国内已
经建成的和正在建设的 4 条基于 MMC 的柔性直流输电工程，比较了这 4 条线路的电压等级、系统容量以及运行特点。研究结果表
（3）
由式（1~3）可得：
ìíîïïïï2vjL=ddi12cti(rjv=nj
-v Vdc
)pj -
(v
1 2
L
disj dt
pj + vnj)
（4）
由式（4）可以得到输出电压和环流的等效电路，
图 1 模块化多电平拓扑结构
模块化多电平变换器的子模块有多种类型［8］，多
电子模块类型如图 2 所示。半桥模块是最早提出的、 也是应用最广泛的子模块，上、下两个开关管互补导
通，输出电压有电容电压和零两个电平，目前绝大部
分已经建成的或者在建的基于 MMC 的直流输电工程 均采用的是半桥子模块。但是半桥子模块不能通过
在国外柔性直流输电技术飞快发展的同时，国内 科研工作者和电力行业相关企业也对柔性直流输电技 术进行了广泛研究，上海南汇风电场并网项目、舟山多 端柔性直流输电工程、南澳三端柔性直流输电工程以 及大连跨海柔性直流输电工程纷纷启动或者投入运 行，标志着我国在柔性直流输电领域有着很好的基础。
本研究在阐述 MMC 的拓扑结构和运行机理后， 重点总结目前 MMC 研究中常用的调制技术和电容电 压平衡策略，并比较这些方法的优、缺点和适用范围， 最后展示我国目前已经建成的或者在建的 4 个基于 MMC 的柔性直流输电工程。
阀控技术限制直流侧短路时的故障电流，因此全桥模
块和双箝位子模块相继被提出。在输出同等电平数的
情况下，全桥子模块使用的开关器件是半桥子模块的
两倍，而且始终有两个开关器件投入电路，导通损耗较
大，而双箝位子模块使用的开关管介于全桥子模块和
半桥子模块之间，导通损耗也是介于两者之间，因此双
箝位子模块在未来的基于 MMC 的直流输电工程中具 有广阔的前景。
谢 瑞 1 ，胡 列 翔 2 ，徐 建 国 1 ，周 志 超 1 ，钱 锋 1 ，高 志 林 1
（1. 浙江省电力设计院，浙江 杭州 310012； 2. 国网浙江省电力公司，浙江 杭州 310007）
摘要：针对模块化多电平变换器（MMC）的各种子模块拓扑结构，分析了其运行方式及特点，通过解析的方法得到了其输出和环流等
2010 年 Siemens 公司在美国旧金山建成了世界上 首条基于 MMC 的直流输电工程化线路，即 Trans Bay Cable Project，该线路直流电压等级为±200 kV，功率 等级为 400 MW，直流电缆长度 86 km，单个桥臂的子 模块数为 200，相电压电平数为 201［6］。随着柔性直流 输电技术的逐渐成熟，直流输电线路的电压等级和功 率等级逐渐提高，Siemens 公司承建的 Inelfe 工程作为 欧洲电力传输网络的一部分，跨接在法国的 Baixas 与 西班牙的 Santa Llogaia，采用模块化多电平的技术，容 量达到 2 000 MW，电压等级±320 kV，单个桥臂含有 400 个子模块，该工程成为世界上最大的 MMC-HVDC 工程，于 2013 年底投入运行［7］。
第 31 卷第 12 期 2014 年 12 月
机电工程
Journal of Mechanical & Electrical Engineering
DOI：10.3969/j.issn.1001-4551.2014.12.022
Vol. 31 No. 12 Dec. 2014
模块化多电平变换器研究综述
收稿日期：2014-08-14 作者简介：谢 瑞（1979-），男，浙江杭州人，博士，高级工程师，主要从事智能变电站电气工程设计和电力电子技术方案的研究. E-mail： zxrd@
· 1616 ·
机电工程
第 31 卷
高、可控性强的输电方式，可以将这些小型的分散电 源通过经济、环保的方式接入交流电网［2-3］。
1.2 工作原理
设流过上、下桥臂的电流分别为 ipj 、inj( j = a,b,c) ，
输出电流为 isj 。定义上、下桥臂之间的环流为 icirj ：
i cirj
=
i pj
+ 2
inj
（1）
第 12 期 （a） 半桥模块
谢 瑞，等：模块化多电平变换器研究综述
· 1617 ·
（b） 全桥模块
特性时可以认为 vNO 为 0。从输出等效电路中可以看
文章编号：1001-4551（2014）12-1615-08
Review of researching about modular multilevel converter
XIE Rui1，HU Lie-xiang2，XV Jian-guo1，ZHOU Zhi-chao1，QIAN Feng1，GAO Zhi-ling1
MMC 由大量的子模块构成，子模块数越多，直流 侧的电压可以越高，等效开关频率越高，交流侧输出
电压的谐波含量越小，但是控制系统越复杂，控制成
本越高，因此相关学者提出了一种折中的办法［9-11］，将
原来的子模块替换为传统的箝位型或者飞跨电容型
三电平模块，如图 2（d）、2（e）所示，这样可以使用更少 的子模块实现同样的功能。
（1. Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China； 2. State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310007，China）
Abstract： Aiming at comparing the different sub- modules of modular multilevel converter（MMC），the operation process and characteristics were analyzed. The equivalent circuits of output voltage and circulating current were obtained by the detailed mathematical expressions. Also the applications of these different sub-modules of MMC were summarized. In order to compare the different modulation strategies，the accurate expressions were calculated to analyze their linearity and harmonic characteristics. Then the performances of different capacitor voltage balancing methods were concluded from the perspectives of system cost，controlling complexity and system loss distribution. The voltage level，system capacity and operation characteristics of four MMC based HVDC projects in China were compared with each other. The researching results indicate that nearest level modulation（NLM）method is easy to be realized and usually adopted for the large scale MMC with the capacitor voltage sorting algorithm. Carrier phase shift pulse width modulation（CPS-PWM）can obtain the performances of high equivalent switching frequency and low distortion，and can be used with capacitor voltage sorting algorithm or closed-loop balancing method even when the number of sub-modules is small. Key words：modular multilevel converter（MMC）；high voltage direct current transmission；stair-case modulation；carrier phase shift pulse width modulation；capacitor voltage balancing method