前言
为了解决高压应用场景下变流器成本和可靠性问题，2001年，德国慕尼黑联邦国防军大学R. Marquardt教授提出了模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter, MMC），其拓扑如图1所示，Udc为直流电压，MMC 在结构上等同于两个级联 H 桥型换流器在交流侧面对面连接，从而构建出直流端口。MMC有三相六个桥臂，其中每相含有上、下两个桥臂，每个桥臂由一个电感器(L)和若干个结构相同的半桥子模块堆叠而成。每个半桥子模块包括两个IGBT（S1、S2）与一组电容器CSM。通过适当控制桥臂中投入和旁路的子模块数目，即可在输出电压中获得多电平波形。它由多个结构相同的子模块级联而成，每个子模块包含一个电压支撑电容，通过改变不同的接入数量来实现变流器的功能，不需要控制信号完全一致，且易于扩展和维护。目前，MMC已经展现出非常重要的工程应用价值。
图1 MMC拓扑
1 MMC工作原理
MMC子模块拓扑分为：半桥子模块（HBSM），全桥子模块（FBSM）和钳位双子模块（CDSM），分别对应的拓扑如图2所示。
图2 MMC子模块拓扑
图2a是最早提出的子模块拓扑，由两个IGBT（VT11、VT12）、二极管（VD11、VD12）和电容（C）。其他子模块不再说明。半桥子模块分为三种工作状态：投入状态、切除状态和闭锁状态。对应的电路如图3所示，开关管状态如表1所示。
图3 半桥子模块工作状态
表1 半桥子模块开关管状态
（1）闭锁状态：VT1和VT2均关断，工作于模式1或模式4取由电流方向决定。这种状态是非正常工作状态，正常运行时不允许出现这种工作状态，有两种作用：a、启动时向子模块充电；b、故障时将子模块电容器旁路。
（2）投入状态：对应于VT1开通和VT2关断，此时电容投入电路，但是模式2还是模式5取决于电流方向。此时可以看到，电容是投入状态，但电容的工作状态并不一定是放电，也可能是充电。所以可以注意到，MMC子模块的电容电压其实会在工作状态中改变。
（3）切除状态：对应于VT1关断和VT2开通，此时电容切除出电路，但是模式3还是模式6取决于电流方向。此时输出的电压一定为0。
图4给出了MMC其中一相的电路图，电路分为上下两个桥臂，每个桥臂含有N个子模块（SM），图4中Udc为直流电压，uu与ul分别为上、下桥臂电压，iu与il分别为上、下桥臂电流，uo与io分别为交流侧输出电压、电流，RLoad和LLoad分别为交流侧所接负载的等效电阻和等效电感。
图4 MMC单相电路
MMC的工作原理非常简单，即令两个桥臂共同支撑直流电压，并同时输出互补的交流电压。通常情况下MMC各桥臂中子模块数目较多，输出电压波形较为平滑，因此本章暂且忽略其谐波分量，将桥臂电压波形近似为理想波形。MMC上下桥臂电压可分别表示为
其中，两桥臂电压的直流分量均为Udc的一半，交流分量大小相等、符号相反。此外，MMC在每个桥臂中加入一个电感L，作为桥臂子模块与直流母线之间 的缓冲，防止子模块投切带来的电压跃变造成过高的尖峰电流。
2 基于Matlab/Simulink的MMC建模
根据MMC工作原理搭建的13电平MMC仿真模型如图5所示。
图5 基于Matlab/Simulink的MMC仿真模型
三相MMC模块如图6所示。
图6 三相MMC模块
图7 电平逼近算法
仿真结果如图8所示。
（a）ABC三相相电压
（b）ABC三相相电流
（c）ABC三相线电压
（d）ABC三相线电压
图8 仿真结果
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参考资料
[1] https://zhuanlan.zhihu.com/p/36304805（三种MMC子模块的状态分析）
[2] 模块化多电平换流器原理及其应用
[3] https://space.bilibili.com/11026893/channel/collectiondetail?sid=746443
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