Equivalent Modeling Method for Energy Self-balancing Hybrid Modular Multilevel Converters

JING Hang; PAN Keying; ZHAO Zheng; XU Jianzhong

doi:10.7500/AEPS20241217001

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Equivalent Modeling Method for Energy Self-balancing Hybrid Modular Multilevel Converters

Basic Research | 更新时间：2026-02-28

- Equivalent Modeling Method for Energy Self-balancing Hybrid Modular Multilevel Converters
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 21, Pages: 131-139(2025)
- 作者机构：
  
  1.新能源电力系统全国重点实验室（华北电力大学），北京市102206
  2.国网经济技术研究院有限公司，北京市102209
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  State Grid Corporation of China(5100-202256486A-2-0-KJ)
- DOI：10.7500/AEPS20241217001
  CLC：
- Received：17 December 2024，
  
  Revised：2025-04-03，
  
  Online First：19 June 2025，
  
  Published：10 November 2025
- 稿件说明：
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井航,潘可盈,赵峥等.能量自平衡型混合模块化多电平换流器等效建模方法[J].电力系统自动化,2025,49(21):131-139.

JING Hang,PAN Keying,ZHAO Zheng,et al.Equivalent Modeling Method for Energy Self-balancing Hybrid Modular Multilevel Converters[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(21):131-139.
井航,潘可盈,赵峥等.能量自平衡型混合模块化多电平换流器等效建模方法[J].电力系统自动化,2025,49(21):131-139. DOI： 10.7500/AEPS20241217001.

JING Hang,PAN Keying,ZHAO Zheng,et al.Equivalent Modeling Method for Energy Self-balancing Hybrid Modular Multilevel Converters[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(21):131-139. DOI： 10.7500/AEPS20241217001.

摘要

混合模块化多电平换流器(MMC)结合了半桥与全桥子模块的优势，在柔性直流输电工程中具有重要应用价值，但其故障时产生的盈余功率仍需通过耗能装置实现故障穿越。采用能量自平衡型子模块耗能具有建设成本低、占地面积小等优点，且可兼顾多种模态，不仅能实现耗能，还能抑制电容电压纹波。然而，PSCAD等仿真平台中已有的等效模型无法对新提出的能量自平衡型半桥、全桥子模块拓扑进行仿真。因此，文中根据戴维南等效原理，从子模块的端口出发，对能量自平衡型半桥、全桥子模块进行了等效建模，进一步建立桥臂等效模型，最终建立混合MMC等效模型。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建的模型仿真对比表明，等效模型的稳态与暂态误差在4.2%以内，且其能量自平衡支路可完成预期功能，在仿真81电平MMC时，所提模型加速比可达3个数量级。

Abstract

The hybrid modular multilevel converter (MMC)

which combines the advantages of half-bridge and full-bridge submodules

has significant application values in flexible DC transmission projects. However

the surplus power generated during faults still requires energy dissipation devices for fault ride-through. The energy self-balancing submodule

characterized by low construction costs

compact footprint and multi-modal compatibility

not only achieves energy dissipation but also suppresses capacitor voltage ripple. However

the existing equivalent models in PSCAD and other simulation platforms cannot simulate the newly proposed energy self-balancing half-bridge and full-bridge submodules. Hence

according to the Thevenin equivalent theorem

the equivalent modeling is carried out on energy self-balancing half-bridge and full-bridge submodules starting from their ports. These submodule models are then aggregated to form arm equivalent model

ultimately constructing a hybrid MMC equivalent model. Comparative simulations on PSCAD/EMTDC simulation platforms demonstrate that the equivalent model maintains steady-state and transient errors below 4.2%

with the energy self-balancing branch functioning as designed. Notably

when an 81-level MMC is simulated

the speedup ratio of the proposed model exceeds 1 000 times.

关键词

Keywords

references

董昱，张鑫，余锐，等 . 水电汇集多直流弱送端电网稳定控制及系统保护方案［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 22 ）： 19 - 25 .

DONG Yu ， ZHANG Xin ， YU Rui ， et al . Stability control and system protection scheme for power grid with hydropower pool and multi-DC weak sending-end ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 22 ）： 19 - 25 .

江涵，岳程燕，严兴煜，等 . 高比例可再生能源系统惯量约束对灵活性分析的影响研究［J］. 电力系统保护与控制， 2021 ， 49 （ 18 ）： 44 - 51 .

JIANG Han ， YUE Chengyan ， YAN Xingyu ， et al . Influence of system inertia on flexibility resource analysis for an interconnection system with a high proportion of intermittent renewable energy ［J］. Power System Protection and Control ， 2021 ， 49 （ 18 ）： 44 - 51 .

刘春蕾，庞鹏飞，石纹赫，等 . 计及碳中和效益及清洁能源消纳的虚拟电厂双层协同优化调度［J］. 供用电， 2021 ， 38 （ 9 ）： 19 - 27 .

LIU Chunlei ， PANG Pengfei ， SHI Wenhe ， et al . Taking into account carbon neutrality benefit and clean energy consumption of virtual power plant two-layer cooperative optimization dispatching ［J］. Distribution & Utilization ， 2021 ， 38 （ 9 ）： 19 - 27 .

宋平岗，李云丰，王立娜 . 载波移相调制死区时间对模块化多电平换流器的影响研究［J］. 工矿自动化， 2013 ， 39 （ 12 ）： 55 - 60 .

SONG Pinggang ， LI Yunfeng ， WANG Lina . Research of influence of dead time by carrier phase shifted modulation on modular multilevel converter ［J］. Industry and Mine Automation ， 2013 ， 39 （ 12 ）： 55 - 60 .

HAGIWARA M ， AKAGI H . Control and experiment of pulsewidth-modulated modular multilevel converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2009 ， 24 （ 7 ）： 1737 - 1746 .

朱良合，盛超，陈晓科，等 . 混合MMC电磁暂态高效建模和阀段故障特性分析［J］. 华北电力大学学报（自然科学版）， 2019 ， 46 （ 1 ）： 32 - 40 .

ZHU Lianghe ， SHENG Chao ， CHEN Xiaoke ， et al . High-speed electromagnetic modeling and internal valve failure analysis of hybrid MMC ［J］. Journal of North China Electric Power University （Natural Science Edition）， 2019 ， 46 （ 1 ）： 32 - 40 .

郭猛，郝全睿，李东 . 混合型MMC的改进桥臂平均值与状态空间模型［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 19 ）： 116 - 127 .

GUO Meng ， HAO Quanrui ， LI Dong . Improved arm average and state-space models of hybrid modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 19 ）： 116 - 127 .

HAIDAR A M A ， MUTTAQI K M ， HAGH M T . A coordinated control approach for DC link and rotor crowbars to improve fault ride-through of DFIG-based wind turbine ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2017 ， 53 （ 4 ）： 4073 - 4086 .

SHABESTARY M M ， MOHAMED Y A I . Analytical expressions for multiobjective optimization of converter-based DG operation under unbalanced grid conditions ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2017 ， 32 （ 9 ）： 7284 - 7296 .

谢晔源，姚宏洋，李海英，等 . 用于VSC-HVDC系统的模块化直串式直流耗能装置［J］. 电力自动化设备， 2021 ， 41 （ 7 ）： 117 - 123 .

XIE Yeyuan ， YAO Hongyang ， LI Haiying ， et al . Modular series-connection DC energy braking device for VSC-HVDC system ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2021 ， 41 （ 7 ）： 117 - 123 .

姚宏洋，谢晔源，方太勋，等 . 子模块可控放电集中式直流耗能装置及其控制［J］. 高电压技术， 2021 ， 47 （ 8 ）： 2896 - 2904 .

YAO Hongyang ， XIE Yeyuan ， FANG Taixun ， et al . Concentrated DC energy braking device with discharge controllable sub-module topology and its control ［J］. High Voltage Engineering ， 2021 ， 47 （ 8 ）： 2896 - 2904 .

张照辉，谢志远，付慧，等 . 海上风电经柔直并网系统故障穿越协调控制策略［J］. 电工电能新技术， 2024 ， 43 （ 5 ）： 28 - 37 .

ZHANG Zhaohui ， XIE Zhiyuan ， FU Hui ， et al . A coordinated control strategy for fault ride-through of offshore wind farm via VSC-HVDC ［J］. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy ， 2024 ， 43 （ 5 ）： 28 - 37 .

田园园，赵峥，薛英林 . 基于半桥子模块的混合式直流耗能装置正弦调制补偿策略［J］. 高电压技术， 2023 ， 49 （ 10 ）： 4278 - 4286 .

TIAN Yuanyuan ， ZHAO Zheng ， XUE Yinglin . Sinusoidal modulation compensation strategy of hybrid DC chopper based on half-bridge submodules ［J］. High Voltage Engineering ， 2023 ， 49 （ 10 ）： 4278 - 4286 .

孙勇，崔彦捷，卢文浩，等 . 一种改进型混合式直流耗能装置［J］. 电力电子技术， 2024 ， 58 （ 4 ）： 39 - 42 .

SUN Yong ， CUI Yanjie ， LU Wenhao ， et al . An improved hybrid DC energy dissipation valve ［J］. Power Electronics ， 2024 ， 58 （ 4 ）： 39 - 42 .

齐磊，贾文萱，张翔宇，等 . 集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀及控制方法： CN113708654B ［P］. 2023-04-25 .

QI Lei ， JIA Wenxuan ， ZHANG Xiangyu ， et al . Flexible direct-current converter valve integrated with surplus power dissipation function and control method ： CN113708654B ［P］. 2023-04-25 .

WU S H ， QI L ， HE Z G ， et al . A voltage-boosting submodules based modular multilevel converter with temporary energy storage ability for fault ride through of offshore wind VSC-HVDC system ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2022 ， 13 （ 4 ）： 2172 - 2183 .

XU J Z ， GOLE A M ， ZHAO C Y . The use of averaged-value model of modular multilevel converter in DC grid ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2015 ， 30 （ 2 ）： 519 - 528 .

XU J Z ， ZHAO C Y ， LIU W J ， et al . Accelerated model of modular multilevel converters in PSCAD/EMTDC ［C］// 2013 IEEE Power & Energy Society General Meeting ， July 21-25 ， 2013 ， Vancouver， Canada .

GNANARATHNA U N ， GOLE A M ， JAYASINGHE R P . Efficient modeling of modular multilevel HVDC converters （MMC） on electromagnetic transient simulation programs ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2011 ， 26 （ 1 ）： 316 - 324 .

许建中，赵成勇， GOLE A M . 模块化多电平换流器戴维南等效整体建模方法［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 8 ）： 1919 - 1929 .

XU Jianzhong ， ZHAO Chengyong ， GOLE A M . Research on the Thévenin’s equivalent based integral modelling method of the modular multilevel converter （MMC）［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 8 ）： 1919 - 1929 .

宋强，孟经伟，周月宾，等 . MMC的电容电压纹波效应及其对换流器优化设计的影响分析［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 11 ）： 4478 - 4490 .

SONG Qiang ， MENG Jingwei ， ZHOU Yuebin ， et al . Analysis of ripple effect of submodule capacitor voltage and its influence on optimal design of MMC ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 11 ）： 4478 - 4490 .

许建中，李钰，陆锋，等 . 降低MMC子模块电容电压纹波幅值的方法综述［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 2 ）： 571 - 584 .

XU Jianzhong ， LI Yu ， LU Feng ， et al . A review of suppression methods for sub-module capacitor voltage ripple amplitudes in modular multilevel converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 2 ）： 571 - 584 .

LI X Q ， SONG Q ， LIU W H ， et al . Performance analysis and optimization of circulating current control for modular multilevel converter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2016 ， 63 （ 2 ）： 716 - 727 .

李探，梅念，陈东，等 . 采用三次谐波注入策略的模块化多电平换流器动态相量模型［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 9 ）： 3384 - 3393 .

LI Tan ， MEI Nian ， CHEN Dong ， et al . Dynamic phasor model of modular multilevel converter with third harmonic injection scheme ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 9 ）： 3384 - 3393 .

孟经伟，周月宾，张楠，等 . 低电容用量高纹波MMC的三次谐波电压注入方法［J］. 电工电能新技术， 2021 ， 40 （ 2 ）： 1 - 8 .

MENG Jingwei ， ZHOU Yuebin ， ZHANG Nan ， et al . A third-order harmonic injection method for low-capacitance modular multilevel converters with high ripples ［J］. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy ， 2021 ， 40 （ 2 ）： 1 - 8 .

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