MMC模型预测控制：电压均衡与环流抑制技术

1. 项目背景与核心挑战

在电力电子领域，模块化多电平换流器（MMC）因其模块化设计、高电压等级和低谐波失真等优势，已成为高压直流输电（HVDC）和柔性交流输电系统（FACTS）的核心设备。然而在实际运行中，MMC系统面临两个关键技术难题：

1. 相间电压不均衡问题：由于各相子模块电容充放电过程不一致，导致相间直流电压出现偏差，直接影响系统输出波形质量
2. 二倍频环流现象：在MMC桥臂中会自然产生频率为两倍基频的环流分量，增加器件电流应力并导致额外损耗

传统PI控制策略难以同时解决这两个动态耦合的问题。本项目采用**模型预测电流控制（FCS-MPC）**框架，通过改进控制算法实现：

• 相间电压自主均衡
• 二倍频环流主动抑制
• 网侧电流精确跟踪

关键创新点：将电压均衡与环流抑制目标整合到MPC的代价函数中，通过单步预测优化实现多目标协同控制，相比传统分级控制策略具有更快的动态响应速度。

2. 系统建模与问题机理分析

2.1 MMC基本拓扑结构

典型三相MMC拓扑包含：

• 6个桥臂（每相上下各1个）
• 每个桥臂由N个子模块(SM)串联组成
• 子模块通常采用半H桥结构（含IGBT和电容）

关键电气关系：

math复制v_{pj} = V_{dc}/2 - v_{oj} - L\frac{di_{pj}}{dt} - Ri_{pj}
v_{nj} = V_{dc}/2 + v_{oj} - L\frac{di_{nj}}{dt} - Ri_{nj}

其中j∈{a,b,c}表示相别，p/n分别代表上下桥臂。

2.2 二倍频环流产生机理

桥臂电流可分解为：

math复制i_{pj} = \frac{i_{oj}}{2} + i_{cirj} + i_{diffj}
i_{nj} = \frac{i_{oj}}{2} - i_{cirj} + i_{diffj}

其中：

• $i_{cirj}$为环流分量（主要含二倍频成分）
• $i_{diffj}$为桥臂间不平衡电流

环流根源在于相单元内上下桥臂功率脉动：

math复制p_{pj} + p_{nj} = V_{dc}i_{cirj} + \frac{v_{oj}i_{oj}}{2}

2.3 电压不均