模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)最早由R. Marquardt教授于2001年提出并申请专利。它由多个结构相同的子模块(Sub-module, SM)级联构成。子模块的结构可以分为半H桥型、全H桥型和双箝位型子模块型三种。模块化多电平换流器(modular multilevel converter MMC)已经展现出极其重要的工程应用前景。

模块化多电平换流器(modular multilevelconverter MMC)已成为柔性直流输电系统的首选换流器拓扑。我国已建成的上海南汇柔性直流工程、南澳三端柔性直流工程、舟山五端柔性直流输电工程以及正在建设中的厦门柔性直流工程都采用MMC结构。国际上SIEMENS已建成的美国跨湾工程(Trans Bay Cable Project TBC)和法国一西班牙联网工程(INELFE工程))都采用MMC结构。同时，ABB公司提出了一种级联两电平结构(cascaded two level CTL)，其本质仍为MMC，并且ABB后续建设的数项柔性直流工程都采用CTL结构。因此，MMC已由最初的低压、小容量示范工程向高电压、大容量方向快速发展，展现出很好的发展前景。

然而，高电压、大容量、超大规模MMC高效建模受限于建模方法、数学理论、等效实验方法和计算机硬件等众多限制，严重制约着相关领域的快速发展。因此，建立MMC的数学和仿真模型能反映换流器的一般运行规律，对研究柔性直流输电系统运行特性、主电路参数的选取以及控制保护系统的设计具有重要的指导作用，开展不同时问尺度的MMC电磁暂态建模方法的研究，在保证仿真精度的前提下研究极大地提高MMC仿真效率的理论和方法，提出适用于不同应用场景的MMC高效仿真模型，具有重要的理论和工程意义。

MMC系统的仿真分析，较之现场试验具有良好的可控性、无破坏性和经济性，对验证控制系统的有效性及进行工程方案的比较等方面发挥着重要作用，为工程调试奠定了基础。目前对MMC的仿真研究按仿真计算同实际过程的时问比例主要分为离线仿真和实时仿真，按仿真基于瞬时值或有效值分为电磁暂态仿真和机电暂态仿真，按不同的仿真步长可分为纳秒级仿真、微秒级仿真、毫秒级仿真。

MMC具有很好的工程应用前景，针对不同的仿真类型与仿真需求，MMC的建模方法各有不同。因此，对MMC建模方法的研究现状进行总结和剖析是很有必要的。

图1所示为三相MMC的通用结构，该MMC模型共有6个桥臂，每个桥臂包含N个子模块。

MMC拓扑创始人德国慕尼黑联邦国防军大学的Marquardt教授共提出了三种常见的子模块拓扑分别是半桥型子模块、全桥型子模块和双箝位型子模块。其中，半桥型子模块目前工程中应用最为普遍，但是其不具备直流故障穿越能力，需要依靠交流断路器实现故障电流的切除。全桥和双箝位子模块都具备直流故障穿越能力，但是由于投资和运行损耗较大目前尚无工程应用。为了在换流器投资、损耗和故障电流箝位能力之间实现折中平衡，有人提出了改进MMC了模块拓扑，并给出了MMC桥臂中使用多种模块拓扑混联的方式以降低工程投资的思路，但是截止目前都尚未进入工程应用阶段。

对于MMC的仿真模型，已有文献大都针对半桥型MMC开展研究，所得成果可以较容易地通过定义编程的方式扩展至其余MMC拓扑。

半桥型MMC子模块，其中最主要的器件是2组反并联的IGBT和二极管以及储能电容C。K1是一个高速旁路开关，其作用是保证了模块发生故障时将其快速、可靠地旁路。K2是一个压接式封装晶闸管，它可以在MMC闭锁时保护与其并联的续流二极管D2。由于K1和K2与了模块为并联结构，因此已有的MMC高效仿真模型大都不包含K1和K2，在某些特殊情况下需要仿真K1, K2时。图2中R为了模块电容的并联电阻，用于电容静态均压和MMC闭锁后电容的缓慢放电，由于其阻值很大，对电容的稳态特性儿乎没有影响，因此除了某些特定场合，一般仿真中并不体现。

随着柔性直流输电不断向着高电压、大容量方向发展，MMC桥臂中通常需要数百个子模块级联。例如，世界上第一个MMC工程，美国跨湾工程，单个桥臂含216个了模块（双端系统共2 592个子模块），我国舟山5端柔性直流输电工程共包含上万个子模块。单个半桥子模块中至少包含4个电力电子开关，且不同子模块中的开关器件状态往往是不同时动作的。因此，在对MMC进行电磁暂态仿真时，必须设置较短的仿真步长，否则将严重影响仿真精度。每一个仿真步长内都有大量开关器件导通状态发生变化，这将使得MMC系统的节点导纳矩阵在每一个仿真步长中都需要重新求逆，也即不断地对超高阶矩阵求逆将使得大规模MMC的仿真速度极其缓慢。

目前国内外已有的MMC建模方法都是从MMC仿真的特点出发，在尽可能保持仿真精度的前提下，显著降低MMC的矩阵求解阶数，达到仿真提速的效果，所提出模型根据简化信息的不同，分别适用于不同的场合。

电磁暂态仿真能研究含有较多开关元件的MMC本身的动态特性，但是由于仿真速度和规模的限制，目前电磁暂态仿真不适合研究大规模交直流系统之间的相互作用。在研究含有MMC-HVDC的大规模交直流混联系统的稳定性时，可以忽略谐波对系统的影响，只考虑系统基频运行特性。仿真计算的是三相对称交流系统基频下各参量的RMS值。仿真步长为毫秒级，仿真关注的时长几秒到几分钟，建立能体现MMC基频动态特性的机电暂态模型，将为大规模交直流系统稳定性分析提供仿真基础。

环流抑制针对桥臂环流产生的原因和特性，实际应用中可以考虑从以下三个方而入手进行环流抑制。

水平环流是由于相间电压直流分量的差异造成，因此如果三相桥臂电压直流分量满足，则桥臂间不会出现水平环流。假若每一相桥臂中所有模块电压都等于一个相同的设定值，则能够实现三相桥臂之间投入模块电容电压代数和相等的条件，从而消除因桥臂之间电压差异造成的水平环流。

桥臂电流中含有基频、二次谐波和直流三种分量，根据叠加定理，桥臂电抗电压为三种分量分别作用时产生电压的叠加。但是由于基频分量在上、下桥臂电感电压极性相反、大小相等，二者之和等于零;而直流分量可以近似认为恒定，故不在桥臂电抗中形成压降，所以桥臂电抗电压为垂直环流分量所形成。

由于在定直流电压和电容电压均衡控制下，环流主要成分是垂直环流分量即谐波分量，且以二次谐波为主，因此可以考虑在桥臂中接入二次谐波滤波器，以实现环流的抑制。目前ABB提出一种在拓扑结构上不同于Simens的轻型直流输电拓扑结构一一堆叠式两电平换流器(CTL)结构，其中区别之一就是在桥臂中加入了一个二次谐波滤波器，以抑制二次谐波，从而减少环流影响。

1) MMC的电磁暂态模型开发仍是MMC建模领域最热门的话题，因其涵盖时间尺度范围广，离线仿真软件成本较低，且所得成果可以推广应用到不同的仿真平台乃至实时仿真系统中。

2)基于受控源的MMC通用提速模型具有容易实现、一次系统可视化程度强以及可以仿真开关器件级别的插值和故障等优点，推荐在详细仿真较大规模双端MMC-HVDC系统时采用。

3 ) MMC戴维南等效整体模型兼具仿真精度和计算效率都较高的特点，突破性地实现了模型的计算复杂度与仿真规模的线性增长。在仿真步长较小时推荐采用基于后退欧拉法的整体模型，仿真步长较大时推荐采用基于梯形法的整体模型。该类模型适合于不但要关注换流器内、外部动态特性，而且仿真规模巨大时的应用场景。

4)改进后的MMC平均值模型具备了精确仿真复杂交直流工况的能力，适合于只关注换流器外部动态特性且包含大规模MMC的交直流混联系统分析的场合。

5 ) MMC的机电暂态和实时仿真系统将逐渐成为未来MMC建模领域的研究热点，因其更接近大系统分析和工程实际，可以更好地满足多样化需求。