模块化多电平换流器（MMC）是柔性直流输电的核心装备。MMC技术的出现极大推动了柔性直流输电技术的发展，目前已投运的工程，MMC已经达到1000 MVA/ ±320 kV 等级，并且3000 MVA/ ±500 kV和5000 MVA/ ±800 kV的MMC-HVDC工程也正在建设当中。但是，随着MMC电压和容量等级的不断提高以及应用领域的不断扩展，MMC及其直流输电技术也面临着各种新的挑战。随着电平数目的不断提高，MMC拓扑结构和运行机理复杂，内部电气量存在复杂的耦合关系和交互影响。MMC子模块直流电容用量巨大，带来MMC装置的成本和体积大的问题，也影响MMC在对装置紧凑化程度要求较高的场合中的应用。随着MMC在架空线直流输电和直流电网中的应用扩展，直流线路故障清除的问题越来越突出，迫切需要低成本和低损耗的解决方案。

一、技术优势、创新性、领先性

（1）MMC的分析与设计技术

a) 提出了模块化多电平换流器（MMC）的循环耦合分析模型，解决了MMC内部电气量众多、相互耦合关系复杂、准确分析困难的难题。

b) 基于所提出的MMC分析模型，可以定量准确分析桥臂环流、三次谐波电压注入、全桥子模块负电平利用和子模块电容电压波动主动利用对MMC运行特性的影响，实现MMC性能和参数的综合优化。

c) 基于所提出的MMC分析模型，开发了柔性直流设计计算和综合性能优化软件，获得多项软件著作权，并成功应用于国内多项重要的柔性直流输配电工程设计中。

模块化多电平换流器（MMC）的循环耦合分析模型

 

计算分析设计软件

 

（2）高度紧凑化的MMC

（3）低成本、高效率的直流故障清除方式

双晶闸管旁路MMC：首创提出双晶闸旁路MMC拓扑结构方案，已被国际学术界广泛接受为是直流故障自清除MMC的几种基本方案之一，也是目前最为简单、成本和占地增加最小的方案。

基于定制化IGCT器件的交叉箝位式MMC： 利用具有超低通态损耗的定制化IGCT作为箝位开关器件，既可以快速清除直流线路故障，又具有最低的额外通态损耗。

集成直流断路器的MMC(IDCB-MMC)：基于MMC子模块双向旁路保护动作与直流断路器的动作配合，大为简化直流断路器的设计，使直流断路器无需造价昂贵的半导体开关器件，仅需简单的能量吸收电容即可。IDCB-MMC即能够以低成本、低损耗和低占地的方式实现直流故障快速清除，又能够提供故障线路的隔离功能。

d) 单向电流型全桥MMC（UCH-MMC）：基于主动环流注入技术使桥臂电流保持单向，在全桥子模块基础上减少两只所需的开关器件，UCH-MMC在半导体器件用量上与常规半桥子模块MMC接近，但是保持了全桥子模块MMC直流故障自清除和直流电压连续双向可调的优点，是一种低成本、高性能和适用领域广的新型拓扑结构。

二、应用场景

（1） 柔性直流输配电换流器：直流研究中心具有先进MMC的分析与设计技术以及完善的MMC分析设计软件，可以实现柔性直流输配电换流器的分析、计算与设计，并根据应用目标和应用场景，在MMC性能和参数设计上实现综合优化。

（2）高压大容量MMC：基于先进的设计分析技术、创新的拓扑结构技术和新型定制化大功率开关器件，直流研究中心可以设计和实现具有高性能、高效率、低成本和低占地的高压大容量MMC。

（3）架空线柔性直流输电和直流电网：直流研究中心提出了多种具有低成本和高效率的新型的具有直流故障自清除和隔离功能的MMC拓扑结构，可以根据不同的应用场景提供最优的直流故障自清除解决方案。

（4）LCC-MMC混合直流输电：基于所提出的新型的具有直流故障自清除和直流电压连续双向可调能力的MMC，可以与晶闸管换流器（LCC）的特性实现完美的配合，充分利用常规晶闸管直流输电和柔性直流输电各自的优势，利用LCC-MMC混合直流输电为远距离大容量输送、大容量新能源发电汇集和现有直流工程等应用提供新型解决方案。

混合直流输电

（5）大容量远海风电汇集于接入电网：基于具有可调节的直流端口电压特性的MMC，以及紧凑化的MMC技术，可以应用新型的直流网络架构实现海上风电柔性直流输电，可以减小甚至取消海上集中换流平台，解决目前海上风电直流技术所面临的海上换流平台巨大所带来的造价高、运输困难、建设难度大等瓶颈问题。

海上风电的新型柔性直流风电组网方式

三、成果与应用

截止目前，在模块化多电平电压源换流技术领域，直流研究中心已在国内外期刊和会议上发表SCI/EI论文10余篇，申请及授权专利10余项，出版专著1部。

基于所提算法在国内首先开发成功MMC换流阀分析和设计软件，成功应用于国内多项重要的柔性直流输配电工程设计。

软件应用于南澳200MW/±160kV工程

2018年12月，世界首套基于清华大学直流研究中心自主研发的定制化IGCT-Plus的交叉箝位型换流阀已在世界容量最大柔性直流配电网工程——珠海唐家湾三端柔性直流配电网工程中得到成功应用。该换流阀基于常规半桥电路拓扑，在两个相邻的IGBT子模块之间串联接入一个IGCT交叉箝位电路，可实现微秒级故障电流开断，快速恢复运行，大大缩短系统重新投运时间。功率模块体积小，整机屏柜紧凑，占地面积小，整机损耗小，是目前额外损耗最小的直流故障清除MMC方案。

基于定制化IGCT的交叉箝位子模块 （ICCM）

10 MW/±10 kV ICCM-MMC 工程装置