Arm Energy Compensation Based Model Predictive Control Strategy for Modular Multilevel Converter Under Low-frequency Condition

YANG Xingwu; YANG Zhenwen; WANG Yani; JIANG Youhua; ZHANG Yuhua; SONG Jinfeng

doi:10.7500/AEPS20240902009

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Arm Energy Compensation Based Model Predictive Control Strategy for Modular Multilevel Converter Under Low-frequency Condition

Application Research | 更新时间：2025-07-04

- Arm Energy Compensation Based Model Predictive Control Strategy for Modular Multilevel Converter Under Low-frequency Condition
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 12, Pages: 162-170(2025)
- 作者机构：
  
  1.上海电力大学电气工程学院，上海市 200090
  2.上海电力大学电子与信息工程学院，上海市 200090
  3.上海电气集团股份有限公司，上海市 200240
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Science and Technology Commission of Shanghai Municipality(23010501200)
- DOI：10.7500/AEPS20240902009
  CLC：
- Received：02 September 2024，
  
  Revised：2024-12-30，
  
  Published Online：26 March 2025，
  
  Published：25 June 2025
- 稿件说明：
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杨兴武,杨振文,王雅妮等.低频工况下基于桥臂能量补偿的MMC模型预测控制策略[J].电力系统自动化,2025,49(12):162-170.

YANG Xingwu,YANG Zhenwen,WANG Yani,et al.Arm Energy Compensation Based Model Predictive Control Strategy for Modular Multilevel Converter Under Low-frequency Condition[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(12):162-170.
杨兴武,杨振文,王雅妮等.低频工况下基于桥臂能量补偿的MMC模型预测控制策略[J].电力系统自动化,2025,49(12):162-170. DOI： 10.7500/AEPS20240902009.

YANG Xingwu,YANG Zhenwen,WANG Yani,et al.Arm Energy Compensation Based Model Predictive Control Strategy for Modular Multilevel Converter Under Low-frequency Condition[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(12):162-170. DOI： 10.7500/AEPS20240902009.

摘要

针对模块化多电平换流器（MMC）启动或低频运行时，桥臂功率瞬时波动，导致子模块电容电压波动急剧增加这一问题，提出了一种基于桥臂能量补偿的MMC模型预测控制策略，直接从桥臂能量角度抑制电容电压波动。首先，通过分析低频下的桥臂能量波动规律，在直流电流中补偿与能量波动量相反的功率分量，保障上、下桥臂之间的能量平衡。其次，基于能量补偿后的桥臂电流参考值，建立离散时间模型，逆推导出最优桥臂电压，并建立含高频循环电流的桥臂内电压差预测模型，在有限集内进行二次滚动寻优，进一步抑制子模块电容电压波动。仿真和实验结果验证了所提方法在低频工况下具有良好的电容电压波动抑制性能。

Abstract

When the modular multilevel converter (MMC) is started or operated at a low frequency

the instantaneous power fluctuation of the arm causes a sharp increase in the capacitor voltage fluctuation of the submodule. To address this problem

this paper proposes an arm energy compensation based model predictive control (AEC-MPC) strategy for MMC. The proposed strategy directly suppresses capacitor voltage fluctuations from the aspect of arm energy. Firstly

the energy fluctuation rules of the arm at low frequencies are analyzed

and a power component opposite to the fluctuation in the DC current is compensated to ensure the energy balance between the upper and lower arms. Secondly

based on the arm current reference after energy compensation

a discrete-time model is established to derive the optimal arm voltage through inverse calculation. A predictive model of the internal voltage difference of the arm with a high-frequency circulating current is also developed. The secondary rolling optimization is performed within a finite set to suppress the submodule capacitor voltage fluctuations further. Simulation and experiment results validate that the proposed method has an excellent performance in suppressing capacitor voltage fluctuations under low-frequency conditions.

关键词

Keywords

references

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