模块化多电平变流器（MMC）入门：用 Sysplorer 搭一个能跑的三相简化模型

模块化多电平变流器（MMC）广泛应用于柔性直流输电和高压大容量电能变换，但对于刚开始接触 MMC 的学习者来说，它并不是一种容易上手的拓扑。

原因很直接：完整 MMC 往往包含大量子模块，还要同时考虑电容电压均衡、桥臂环流、调制策略和控制系统。如果一开始就从几十甚至上百个子模块入手，很容易陷入复杂模型和控制参数中，反而看不清 MMC 最基本的工作机理。

我在 MoHub 上看到一个基于 MWORKS Sysplorer 的简化 MMC 案例。它采用了相反的思路：每个桥臂只保留 2 个半桥子模块，使用 300 V 直流电源和三相 RL 负载，先把 MMC 最核心的结构和波形跑出来。

获取案例后，我进一步核对了 Modelica 模型源码和配套仿真说明。模型在 0～0.1 s 的仿真窗口内，可以直接观察三相相电压、桥臂电流以及子模块电容电压等结果。

对于刚开始学习 MMC 的用户来说，这种“先把模型做小，再把机理看清”的方式，反而更适合作为入门。

这个案例主要想说明什么

MMC 最核心的特点，在于每个桥臂都由多个子模块串联组成。

这些子模块通过不断投入和旁路，使桥臂输出不同的电压等级，再由上下桥臂共同合成交流侧输出电压。

理论上并不难理解，但真正进入完整 MMC 模型后，子模块数量一多，再叠加均压、环流抑制和闭环控制，很容易看不出某一条波形究竟对应什么物理过程。

这个案例因此有意把复杂度降到最低：

• 每桥臂 2 个子模块

• 子模块电容 3000 μF

• 桥臂电感 10 mH

• 桥臂电阻 0.2 Ω

• 三相负载 15 Ω + 10 mH

• 直流侧电压 300 V

模型虽然简单，但已经可以直接观察 MMC 的几个基本现象：

• 相电压为什么会呈现阶梯状；

• 桥臂电流与交流侧相电流有什么关系；

• 子模块电容为什么会不断充放电；

• 子模块数量较少时，输出波形为什么离理想正弦还有明显距离。

换句话说，这个案例不是用来追求“漂亮波形”，而是用来把 MMC 的基本机理放大给你看。

模型是怎么搭起来的

整个工程采用 Sysplorer / Modelica 图形化建模，核心模型集中在 MMCNPSStudy.mo 中。

主要组件来自 NPSLibrary 电力库和 Modelica 标准库。

直流侧

直流侧使用 300 V 恒定直流电压源，并配置 Powergui 仿真环境，为整个三相 MMC 提供直流输入。

三相上下桥臂

A、B、C 三相分别包含上、下两个桥臂，共使用 6 个 HalfBridgeMMC 半桥子模块组件。

每个桥臂内部设置：

• 2 个子模块；

• 单个子模块电容 3000 μF；

• 初始电容电压 75 V；

• 开关函数模型。

例如其中一个桥臂的模型参数为：

NPSLibrary.PowerElectronics.Converter.HalfBridgeMMC hbUA(
ModelType="开关函数模型",
SF_N=2,
SF_C=3000e-6,
SF_Initial_Vc=75,
SF_Ron=1e-3,
SF_Rs=1e6);

调制部分

六个桥臂分别连接多电平 PWM 发生器。

三相参考信号相差 120°，调制波幅值为 ±0.4、偏置为 0.5，使参考信号落在 0～1 的调制范围内。

NPSLibrary.PowerElectronics.Control.PWMGenerator_Multilevel pwmUA(
Type="半桥",
Nsm=2,
TimePeriod=0.005,
SampleTime=2e-5);

Modelica.Blocks.Sources.Sine sUA(
amplitude=-0.4,
offset=0.5,
f=50);

桥臂与交流负载

每个桥臂配置 0.2 Ω + 10 mH 的 R-L 阻抗。

交流侧三相负载采用 15 Ω + 10 mH 的阻感支路。

此外，模型还配置了多组电流和电压传感器，用于观察交流侧输出、桥臂状态以及子模块电容电压。

三个公式，看懂 MMC 的基本关系

这套简化模型背后的核心关系并不复杂。

1. 桥臂电流

对于某一相，上、下桥臂电流可以写成：

i_u,x = i_c,x + i_x/2;
i_l,x = i_c,x – i_x/2;

其中：

• i_x 是交流侧相电流；

• i_c,x 是上下桥臂共有的内部环流分量。

因此，桥臂电流并不是简单等于负载相电流，而是由内部公共分量与交流输出分量共同组成。

这也是为什么后面的仿真中，桥臂电流和交流侧相电流表现并不相同。

2. 相输出电压

交流侧相电压主要由上下桥臂等效电压差决定：

u_xo = (u_l,x – u_u,x)/2;

当不同数量的子模块被投入或旁路时，上、下桥臂电压不断改变，两者做差后形成交流输出。

所谓“多电平”，本质上就是：

多个子模块电容电压通过不同投切组合，逐级合成交流电压。

3. 子模块电容电压

子模块电容的充放电可以用：

C * der(v_c) = s * i_arm;

来理解。

当子模块处于投入状态且桥臂有电流流过时，电容就会进行能量交换，因此其电压不可能始终保持完全恒定。

这正是 MMC 为什么需要电容电压均衡控制的重要原因。

模型运行后，可以看到什么

案例在 MWORKS Sysplorer 中完成模型检查、翻译和仿真。

主要参数为：

• 直流电压：300 V

• 工频：50 Hz

• 每桥臂子模块数：2

• 子模块电容：3000 μF

• 桥臂阻抗：0.2 Ω + 10 mH

• 负载：15 Ω + 10 mH

• 仿真时间：0～0.1 s

• 仿真步长：1e-4 s

• 求解器：Dassl

0.1 s 对应约 5 个 50 Hz 工频周期，已经足以观察几个关键波形。

图1 模型架构

上下桥臂按三相并列布置，直流源、桥臂阻抗、半桥子模块、PWM 控制和交流负载的连接关系比较直观。

对于刚开始学习 MMC 的用户来说，这张模型图本身就很有价值：可以先不考虑复杂控制，只沿着主功率回路看清“直流侧—上下桥臂—交流侧”是如何连接的。

为什么相电压会出现明显台阶

图2 三相相电压

三相波形保持约 120° 相位差，幅值约为 ±80 V，但与理想正弦波相比，可以看到比较明显的台阶和开关纹波。

这并不是模型运行异常，而恰好反映了当前简化 MMC 的结构。

因为每个桥臂只有 2 个子模块，能够组合出的电压等级非常有限。

PWM 控制不断改变各子模块的投入状态，上、下桥臂电压随之发生离散变化，最终合成的相电压自然表现为阶梯状。

如果继续增加每桥臂子模块数量，可用电平数会随之增加，输出波形也会逐渐变得更加平滑。

因此，这张图非常直观地回答了一个入门问题：

MMC 的“多电平”到底从哪里来？

答案就在这些不断切换的子模块电容电压里。

桥臂电流为什么和相电流不一样

图3 桥臂电压

可以看到，它并不是简单复制交流侧相电流，而是围绕一定的公共分量变化。

原因就在前面的关系：

桥臂电流 = 内部环流分量 ± 相电流的一半。

交流侧相电流负责向负载传递功率，而上下桥臂内部还存在公共电流分量。

因此，即使负载侧看到的是近似三相交流电流，桥臂内部的电流状态仍然更加复杂。

在完整 MMC 系统中，这部分内部环流通常还需要专门设计抑制控制，以减少附加损耗和电容电压波动。

当前案例没有加入复杂环流抑制，因此这一现象反而能够更加直观地表现出来。

子模块电容为什么会持续波动

图4 子模块电容电压

电容电压从初始 75 V 出发，在运行过程中持续出现充放电波动。

这是 MMC 非常关键的一个现象。

每当某个子模块被投入桥臂，同时桥臂电流流过时，电容就在参与能量交换。

因此：

• 有时电容被充电；

• 有时电容向系统释放能量；

• 电容电压会围绕工作点不断变化。

在实际高性能 MMC 中，通常需要对子模块电容电压进行均衡控制，使不同子模块的电压保持在合理范围内。

而当前模型没有加入完整的均压策略，每桥臂又只有两个子模块，因此电容电压波动会更加明显。

从性能角度看，这是模型的简化和局限；

但从教学角度看，它反而让“子模块电容承担能量缓冲”这一机理变得更加直观。

四类波形其实对应同一套能量转换过程

把这些结果放在一起看，会发现它们并不是四组彼此独立的曲线。

整个过程可以连起来理解：

PWM 改变子模块投入状态

↓

上下桥臂等效电压发生变化

↓

两桥臂电压做差，形成阶梯状交流相电压

↓

相电压经过桥臂电感和 RL 负载后产生交流电流

↓

桥臂电流同时包含交流输出分量与内部公共分量

↓

桥臂电流流经已投入的子模块，使电容持续进行能量交换

↓

最终表现为子模块电容电压波动

这样再回头看模型和结果，MMC 中几个原本比较抽象的概念——多电平合成、桥臂电流、内部环流、子模块储能——就可以通过实际波形对应起来。

这个模型适合拿来做什么

这个案例的定位比较明确：

它不是一个完整的工程级 MMC 系统，而是一套用于观察基本工作机理的简化模型。

当前模型主要做了这些简化：

• 每桥臂只有 2 个子模块；

• 未加入完整子模块电压均衡控制；

• 未加入专门的环流抑制控制；

• 采用开关函数模型；

• 交流侧采用简单三相 RL 负载；

• 不涉及完整并网控制、直流电压控制等高级功能。

因此，它更适合：

• MMC 拓扑入门；

• 电力电子课程教学；

• 多电平变流器原理演示；

• 子模块投切规律观察；

• 桥臂电流与相电流关系分析；

• 子模块电容充放电分析。

在此基础上，还可以继续扩展：

• 增加每桥臂子模块数量；

• 增加电容电压均衡控制；

• 加入环流抑制；

• 更换调制策略；

• 增加闭环控制；

• 接入交流电网；

• 进一步构建柔性直流输电系统。

从 2 个子模块开始，再逐步把真实 MMC 中的控制和系统复杂度加回来，会比一开始直接进入完整模型更容易理解。

总结

这个案例在 MWORKS Sysplorer 中搭建了一套每桥臂 2 个子模块的三相简化 MMC 模型，用较少的组件保留了 MMC 最基本的结构和物理过程。

从仿真结果可以直观看到：

• 子模块投切形成阶梯状相电压；

• 三相输出保持约 120° 相位关系；

• 桥臂电流同时包含交流输出与内部公共分量；

• 子模块电容在能量交换过程中持续充放电；

• 子模块数量较少且缺少均压、环流抑制时，电压和电流纹波更加明显。

它的价值不在于复现完整工程级 MMC 的性能，而在于用一个足够简单、能够直接运行的模型，把多电平合成、桥臂电流和子模块储能这些核心概念对应到实际波形上。

对于刚开始学习 MMC、电力电子或柔性直流输电的用户来说，可以先利用这套模型建立基本认识，再逐步增加子模块数量、均压控制和环流抑制，向更完整的 MMC 系统扩展。

本文分析的案例来自 MoHub，可查看相关模型及运行资料：

https://mohub.net/model/26118/summary