《模塊化多電平換流器直流輸電建模技術》為國網基金項目《柔性直流輸電建模與仿真技術》的姊妹篇，《柔性直流輸電建模與仿真技術》側重於兩電平、三電平柔性直流輸電的建模與仿真，本書側重於介紹當前柔直輸電的主流技術——多電平（MMC）柔直輸電的理論與實驗研究成果。本書針對MMC型柔性輸電建模、仿真和物理實驗進行重點闡述。主要內容包括MMC基本拓撲結構與控制策略，基於受控源、基於戴維南等效、基於平均值模型改進的三類MMC-HVDC高速仿真模型與其建模方法，MMC機電暫態仿真建模，MMC換流器穩定性分析解析模型，MMC納秒級開關暫態建模，RT-Lab中MMC的仿真建模，MMC-HVDC物理模擬繫統的設計與實驗，具有工程應用前景的超大規模MMC電容電壓平衡優化算法等。

前言
第1章概述 1
1.1 MMC型柔性直流輸電繫統的發展 1
1.2 本書擬解決MMC建模領域的問題 3
1.2.1 MMC-HVDC建模領域的研究現狀 4
1.2.2 本書擬解決的主要問題 5
1.3 本書的主要內容 6
參考文獻 7
第2章 MMC拓撲及基本控制方法 11
2.1 MMC拓撲 11
2.2 MMC子模塊拓撲和直流故障阻斷能力評價指標 12
2.2.1 MMC子模塊拓撲 12
2.2.2 MMC直流故障阻斷能力評價指標 18
2.3 MMC基本控制策略 20
2.3.1 基於d-q旋轉坐標繫的MMC控制繫統模型 20
2.3.2 基於d-q旋轉坐標繫的解耦控制器設計 22
2.4 調制和電容電壓均衡控制策略 23
2.4.1 最近電平逼近控制 24
2.4.2 載波移相正弦脈寬調制 25
2.5 相間環流抑制策略 26
2.5.1 MMC的相間環流 26
2.5.2 MMC相間環流抑制策略 27
2.6 本章小結 30
參考文獻 30
第3章超大規模MMC電容電壓平衡優化算法 32
3.1 基於質因子分解法的高效分組方法 32
3.1.1 分組排序的基本方法 32
3.1.2 多層分組 34
3.1.3 質因子分解法分組形式 35
3.1.4 最優質因子分組形式 36
3.1.5 各排序方法排序次數比較 38
3.2 希爾排序方法 38
3.2.1 希爾排序方法原理 39
3.2.2 希爾排序方法分組步長的選取 40
3.3 基於質因子分組和希爾排序的高效均壓算法 42
3.3.1 高效均壓算法原理 42
3.3.2 降頻方法在高效分組排序算法中的應用 42
3.4 仿真驗證 42
3.5 本章小結 44
參考文獻 45
第4章考慮內部動態特性的MMC小信號模型 46
4.1 MMC的內部諧波特性 46
4.2 MMC詳細小信號建模 48
4.2.1 定義d-q變換矩陣 48
4.2.2 子模塊電容電壓波動的動態描述 48
4.2.3 交流電流和直流電流的動態描述 50
4.2.4 二倍頻環流的動態特性 51
4.2.5 狀態空間方程的線性化 52
4.3.1 d-q解耦環流抑制控制器建模 53
4.3.2 PR環流抑制控制器的建模 54
4.3.3 硬件濾波器環流抑制的建模 55
4.4 外部控制繫統建模及其與閥模型接口的實現 56
4.4.1 d-q解耦主控制器建模 56
4.4.2 鎖相環（PLL）的建模 58
4.4.3 控制繫統的小信號模型 58
4.4.4 控制繫統和閥模型的接口實現 58
4.5 模型驗證 59
4.5.1 詳細小信號模型的驗證 59
4.5.2 詳細小信號模型和簡化端模型的對比 62
4.6 本章小結 64
附錄 64
參考文獻 65
第5章基於小信號模型的MMC諧波穩定性分析 67
5.1 MMC-HVDC模態分析與內部諧波模態識別 67
5.2 MMC內部諧波穩定性分析 69
5.2.1 環流抑制策略對諧波穩定性的影響 69
5.2.2 橋臂電阻對諧波穩定性的影響 71
5.2.3 主控制器參數對諧波穩定性的影響 73
5.2.4 交流繫統強度和PLL對諧波穩定性的影響 74
5.3 本章小結 75
參考文獻 76
第6章基於受控源的MMC通用建模方法 77
6.1 MMC通用模型的提出 77
6.2 MMC通用模型的理論證明 78
6.2.1 節點電壓分析法證明 79
6.2.2 節點拆分的理論推廣 81
6.3 MMC通用模型的驗證 84
6.3.1 測試繫統介紹 85
6.3.2 模型精度驗證 85
6.3.3 模型加速比測試 87
6.3.4 401電平MMC-HVDC仿真研究 88
6.4 本章小結 90
參考文獻 90
第7章基於戴維南等效的MMC整體建模方法 91
7.1 經典戴維南等效模型 91
7.2 基於後退歐拉法的戴維南等效整體模型 93
7.2.1 采用理想開關器件 93
7.2.2 采用後退歐拉法離散化電容 94
7.2.3 采用新型高效排序均壓算法 94
7.2.4 基於後退歐拉法的戴維南等效整體模型的閉鎖實現方法 96
7.2.5 MMC整體建模方法的求解流程 97
7.3 基於梯形積分法的戴維南等效整體模型 99
7.4 三種等效模型精度驗證和加速比測試 100
7.4.1 測試繫統介紹 100
7.4.2 模型加速比測試 102
7.5 基於後退歐拉法的全橋MMC戴維南等效整體模型 102
7.5.1 全橋子模塊的伴隨電路 102
7.5.2 全橋MMC的仿真驗證 104
7.6 本章小結 105
參考文獻 105
第8章 MMC平均值模型在直流電網中的應用 106
8.1 MMC平均值模型 106
8.2 MMC平均值模型適用性分析 108
8.2.1 測試繫統介紹 108
8.2.2 模型適用性分析 109
8.3 MMC平均值模型的改進 111
8.3.1 現有MMC平均值模型的缺陷 111
8.3.2 改進平均值模型 112
8.3.3 模型驗證 113
8.4 本章小結 116
參考文獻 116
第9章 RT-LAB中MMC換流器的仿真建模 117
9.1 RT-LAB仿真平臺 117
9.1.1 RT-LAB仿真功能 117
9.1.2基於Simulink的RT-LAB仿真模塊庫 118
9.1.3 RT-LAB I/O模塊 123
9.2 RT-LAB仿真建模步驟 129
9.3基於OP5600的MMC-HVDC建模仿真 131
9.3.1 基於OP5600的MMC-HVDC建模 131
9.3.2 仿真分析 133
9.4基於OP7000的MMC-HVDC建模仿真 135
9.4.1基於OP7000的MMC-HVDC建模 135
9.4.2仿真分析 137
9. 5本章小結 138
參考文獻 138
第10章 MMC納秒級暫態建模 140
10.1 IGBT暫態建模 140
10.1.1 IGBT物理結構及特性 140
10.1.2 IGBT暫態模型原理 142
10.1.3 IGBT暫態模型參數提取 145
10.2 二極管的暫態建模 147
10.2.1 二極管物理結構及特性 147
10.2.2 二極管暫態模型原理 148
10.2.3 二極管暫態模型參數提取 149
10.3 IGBT模塊熱學特性建模 149
10.3.1 平均損耗模塊 149
10.3.2平均熱阻模塊 152
10.3.3熱電耦合模塊 154
10.4 IGBT及二極管模型的實現 155
10.4.1 IGBT模塊開關過程分析 156
10.4.2 IGBT暫態模型仿真測試 157
10.4.3二極管暫態模型仿真測試 158
10.5 IGBT模塊仿真測試電路 158
10.5.1 MMC半橋子模塊仿真測試電路原理 160
10.5.2 MMC半橋子模塊仿真測試 161
10.5.3 半橋MMC單相換流閥仿真測試 164
10.6本章小結 166
參考文獻 166
第11章 MMC-HVDC物理模擬繫統設計與實驗 168
11.1 物理模擬繫統主回路 168
11.2 控制繫統架構 174
11.2.1 信號采集調理繫統 175
11.2.2 上位機監控繫統 176
11.2.3 極控制和保護繫統PCP 179
11.2.4 閥基控制器VBC 181
11.2.5 子模塊控制器SMC 182
11.3 控制邏輯設計 184
11.3.1 繫統運行狀態 184
11.3.2 各級通訊內容與協調控制策略 185
11.3.3 異步通訊設計 187
11.3.4 故障保護策略 189
11.4 子模塊測試 191
11.4.1 子模塊絕緣測試 191
11.4.2 子模塊穩態測試 193
11.5 繫統實驗 198
11.6 本章小結 201
參考文獻 201

2001年德國聯邦國防軍大學的R. Marquardt和A. Lesnicar提出了模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)拓撲結構，較傳統兩、三電平電壓源換流器拓撲結構，具有巨大的經濟技術優勢，如模塊化設計、低諧波含量、低損耗等。因此其一經提出，便迅速得到工程和學術界的廣泛關注，並成為目前柔性直流輸電繫統的優選主流拓撲。目前世界範圍內在建的柔性直流輸電工程均采用MMC或類似拓撲。
目前國內、外已有多項MMC柔性直流輸電工程建成投運。2011年西門子公司投運了世界首項MMC-HVDC工程—美國跨灣工程，之後又建設了數項MMC-HVDC工程。ABB公司基於其所提出的級聯兩電平拓撲結構（其本質仍為MMC），建成數項工程並投運。我國柔性直流輸電技術發展也呈現蓬勃之勢，且所有投運和在建的工程均采用MMC拓撲結構，目前主要工程包括：2011年投運的上海南彙風電場柔性直流輸電工程；2013年投運的南澳多端柔性直流輸電示範工程；2014年投運的浙江舟山多端柔性直流輸電工程；2015年投運的廈門柔性直流輸電工程等。同時，目前我國有多個柔性直流輸電工程在建或規劃中。如，在建的雲南電網與南方主網魯西背靠背直流異步聯網工程、渝鄂柔直背靠背聯網工程、正在規劃中的四端張北直流電網工程等。另外，基於MMC拓撲結構，柔性直流輸電已由初的低壓、小容量示範工程向高電壓、大容量方向快速發展。如，2014年投運的法國—西班牙MMC-HVDC聯網工程的傳輸容量已達到2×1000MW（雙極直流繫統），直流電壓達到±320kV；我國在建的渝鄂柔直背靠背聯網工程，直流電壓等級達到±420kV，容量達到2500MW。
可見，基於MMC的柔性直流輸電正在廣泛的應用於大型風電場並網、交流電網異步聯網、城市中心供電等多種場合，並展現出巨大經濟技術優勢。隨著智能電網與能源互聯網的提出與發展，其必將成為未來輸電領域的重要發展方向。
同時，MMC的提出也為學術界和工程界帶來一繫列需要研究的問題，如其復雜的內部特性帶來的更為復雜的控制繫統及更為復雜的動態解析模型、高電平MMC為電磁暫態仿真帶來的巨大挑戰等。本書立足於MMC-HVDC的發展背景，針對MMC的動態數學模型和電磁暫態仿真模型等建模方面的主要問題，總結了本研究團隊在該領域的部分主要研究成果，主要包括：對考慮內部動態特性的MMC-HVDC動態數學模型與穩定性分析、不同時間尺度下的電磁暫態仿真建模、物理樣機繫統的搭建等內容。
本書內容是對本團隊於2014年出版的著作《柔性直流輸電建模和仿真技術》在理論和方法上的進一步拓展和深入，集合了團隊近兩年來在該領域的研究成果，是整個團隊共同研究工作的結晶。其中，第3章取材於鋻彭茂蘭、何智鵬的碩士論文，第4~5章取材於李探的博士論文，第6~8章取材於許建中的博士論文，第10章取材於徐延明的碩士論文，第11章取材於張寶順的博士論文。另外，特別感謝課題組參與本書撰寫及部分章節材料整理和編輯工作的博士研究生張帆、李承昱，碩士研究生趙鵬豪、姬煜珂、徐瑩、劉啟建等人，他們的工作在很大程度上保證了本書的按時出版。
本書的研究工作得到了國家863高技術項目（2013AA050105）和國家自然科學基金項目（50577018，51177042）的資助，在此表示感謝！
由於作者水平的限制和時間倉促，書中一定存在錯誤和不當之處，敬請廣大讀者批評指正為盼。