模块化多电平换流器(MMC)仿真分析：双闭环控制与最近电平逼近调制-育师

双闭环＋最近电平逼近调制MMC模块化多电平换流器仿真（逆变侧）含技术文档（看最后一张图） MMC Matlab-Simulink 直流侧11kV 交流侧6.6kV N=22 采用最近电平逼近调制NLM 环流抑制（PIR比例积分准谐振控制），测量桥臂电感THD获得抑制效果。功率外环电流内环双闭环控制电流内环采用PI+前馈解耦，电容电压均压排序采用基于排序的均压方法，并网后可以得到对称的三相电压和三相电流波形，电容电压波形较好，功率提升，电压电流稳态后仍为对称的三相电压电流。

作为一名电力电子领域的爱好者，一直在探索如何优化模块化多电平换流器(MMC)的控制策略，最近在仿真中采用了一种基于双闭环控制和最近电平逼近调制(NLM)的方案，效果非常不错，今天就和大家分享一下我的研究成果。

一、仿真系统架构

首先，整个系统分为直流侧和交流侧两部分，直流侧电压为11kV，交流侧电压为6.6kV，模块数N=22。通过Simulink搭建了一个完整的MMC仿真模型，包括功率外环、电流内环、调制模块以及环流抑制模块。

%MMC系统配置 Vdc = 11000; %直流侧电压 Vac = 6600; %交流侧电压 N =22; %子模块数

从整体上看，系统的控制逻辑可以分为以下几个部分：

功率外环：用于调节MMC输出的有功功率和无功功率。
电流内环：保证三相电流的对称性和质量，采用PI调节器加前馈解耦。
最近电平逼近(NLM)调制：生成参考电平序列，实现输出波形逼近目标。
环流抑制：通过PIR(比例积分准谐振)控制器抑制桥臂环流。

二、最近电平逼近调制(NLM)

最近电平逼近调制是一种非常实用的调制方法，核心思想是通过动态刷新子模块电容电压，生成最优的电平序列。

%NLM调制算法 function [lev, idx] = NLM_ref(v_ref, v_sub-module) % v_ref：参考电压 % v_sub-module：子电容电压 lev = zeros(size(v_ref)); idx = zeros(1, N); for k =1:length(v_ref) [~, idx(k)] = min(abs(v_ref(k) - v_sub-module)); lev(k) = v_sub-module(idx(k)); end end

通过上述代码可以看出，NLM调制的本质是动态选择最接近参考电压的子模块电容电压，从而在输出端生成连续的电平序列。这种调制方式不仅能够提高输出波形质量，还能有效减少开关损耗。

三、环流抑制与THD测量

环流是MMC系统中常见的一个问题，主要来源于上下桥臂的不对称导通。为了抑制环流，我采用了一种PIR(比例积分准谐振)控制策略。

%环流抑制模型 function I_ring = PIR_Controller(v_ref, v_fb) %v_ref：参考电压 %v_fb：反馈电压 Kp = 10; %比例系数 Ki = 2; %积分系数 f0 = 50; %基频 Damping = 0.1; %阻尼系数 s = tf('s'); G_pir = Kp * (1 + Ki/s) * (s^2 + 2*Damping*f0*s + f0^2)/(s^2); I_ring = G_pir * (v_ref - v_fb); end

通过上述代码可以看出，PIR控制器在抑制环流的同时，还具有一定的谐振抑制能力。为了验证环流抑制的效果，我测量了桥臂电感的THD(总谐波 distortion)，结果表明THD显著降低。

四、双闭环控制策略

整个系统采用功率外环和电流内环的双闭环控制结构，其中电流内环采用了PI调节器加前馈解耦。

%功率外环和电流内环 function [u_a, u_b, u_c] = Double_ClosedLoop(P_ref, Q_ref, I_a, I_b, I_c) %P_ref、Q_ref：有功功率和无功功率参考 %I_a、I_b、I_c：三相电流反馈 Kp_p = 1; %功率外环比例系数 Ki_p = 0.1; %功率外环积分系数 Kp_i = 20; %电流内环比例系数 Ki_i = 10; %电流内环积分系数 Kf_i = 1; %前馈系数 %功率外环 P_fb = (V_ref * I_a - V_fbk * I_a)/3; Q_fb = (V_ref * I_b - V_fbk * I_b)/3; dVdc = Kp_p*(P_ref - P_fb) + Ki_p*(Q_ref - Q_fb); %电流内环 u_a = Kp_i*(Ia_ref - I_a) + Ki_i*integ(Ia_ref - I_a) + Kf_i*dVdc; u_b = Kp_i*(Ib_ref - I_b) + Ki_i*integ(Ib_ref - I_b) + Kf_i*dVdc; u_c = Kp_i*(Ic_ref - I_c) + Ki_i*integ(Ic_ref - I_c) + Kf_i*dVdc; end

通过上述代码可以看出，电流内环采用PI调节器加前馈解耦，能够有效提高系统的动态响应速度和鲁棒性。

五、电容电压均压

电容电压均衡是MMC系统中需要考虑的关键问题，我采用了基于排序的均压方法。

%电容电压均压 function V_avg = Capacitor_Balancing(V_subs) %V_subs：子电容电压向量 delta = max(V_subs) - min(V_subs); V_avg = mean(V_subs); if delta > 0.1*V_avg [~, idx] = sort(V_subs); V_subs(idx(1)) = V_subs(idx(1)) + delta/2; V_subs(idx(end)) = V_subs(idx(end)) - delta/2; end end

通过上述代码可以看出，基于排序的均压方法能够有效减少电容电压的不平衡度。