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💥第一部分——内容介绍

基于最近电平逼近的开环MMC逆变器Simulink仿真模型研究

摘要

模块化多电平换流器（MMC）凭借其模块化结构、低谐波输出和良好的扩展性，已成为高压大功率电能变换领域的核心拓扑之一。本文针对传统闭环控制策略成本高、算法复杂的问题，研究了一种基于最近电平逼近（NLM）调制的开环MMC逆变器，并在MATLAB/Simulink环境中搭建了仿真模型。文章详细阐述了MMC的拓扑结构与工作原理，分析了NLM调制策略在开环控制中的实现方法，给出了Simulink仿真模型的搭建流程与关键参数设置思路。仿真结果表明，基于NLM的开环MMC逆变器能够在无需复杂反馈控制的情况下输出质量良好的多电平电压波形，为成本敏感型和中低压应用场景提供了可行的技术方案。

关键词：模块化多电平换流器；最近电平逼近；开环控制；Simulink仿真；逆变器

一、引言

近年来，随着高压直流输电、新能源并网以及大功率电机驱动等领域的快速发展，电力电子变换装置的性能要求日益提高。模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）作为一种新型电压源换流器拓扑，以其输出电压谐波含量低、开关损耗小、模块化扩展性强等突出优势，在柔性直流输电、新能源并网等领域得到了广泛应用。与传统两电平或三电平换流器相比，MMC采用子模块级联结构，能够将输出电压电平数提升至几十甚至上百电平，从而在维持耐压水平的同时大幅降低谐波含量。我国已建成的上海南汇柔性直流工程、南澳三端柔性直流工程、舟山五端柔性直流输电工程等均采用了MMC结构。

传统的MMC控制通常采用闭环策略，通过实时采集输出电压、电流等信号，利用复杂的控制算法实现精确调节。然而，闭环控制依赖高精度传感器、快速信号处理单元以及复杂的控制算法，这显著增加了系统成本和控制复杂度。在一些对成本敏感、控制精度要求相对不高的应用场景中，闭环方案的应用受到制约。

最近电平逼近调制（Nearest Level Modulation, NLM）是一种简单有效的调制策略，它通过选择最接近参考电压的电平进行输出，无需复杂的反馈计算。当MMC用于高压大功率场合时，所需电平数较多，NLM调制恰恰适用于这类情况。将NLM应用于开环MMC逆变器，有望在降低控制复杂度和成本的同时实现较好的输出性能。

本文围绕基于NLM的开环MMC逆变器展开研究，在分析MMC拓扑结构与工作原理的基础上，阐述NLM调制策略在开环控制中的实现方式，并给出Simulink仿真模型的完整搭建方案，旨在为相关领域的研究与工程应用提供参考。

二、MMC逆变器的拓扑结构与工作原理

2.1 拓扑结构

MMC的拓扑结构由六个桥臂组成，分为三相，每相包含上、下两个桥臂。每个桥臂由多个相同的子模块（Sub-Module, SM）与一个桥臂电抗器依次串联而成。三相MMC通过交流侧与电网或负载相连，直流侧连接直流电源。

子模块是MMC的基本构成单元，通常采用半桥结构，每个半桥子模块由两个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、两个反并联二极管和一个直流电容构成。半桥子模块具有结构简单、控制方便的优点，是工程应用中最广泛的子模块类型。桥臂电抗器的主要作用是抑制桥臂间的环流，同时限制故障电流的上升率。

以三相MMC逆变器为例，其拓扑呈现对称的三相结构，各相上、下桥臂通过桥臂电抗器连接到直流母线。这种结构使得MMC能够灵活地实现交直流电能转换，且各相之间既相互独立又协同工作，保证了系统的稳定性与可靠性。

2.2 工作原理

MMC逆变器的工作原理基于对子模块投切状态的精确控制。每个半桥子模块存在两种基本工作状态：当上管导通、下管关断时，子模块处于“投入”状态，其输出电压等于电容电压；当上管关断、下管导通时，子模块处于“切除”状态，输出电压为零。通过独立控制每个子模块中两个开关器件的通断，即可决定该子模块是投入还是切除。

在逆变器工作时，通过控制各桥臂子模块的投入与切除数量，来合成所需的交流输出电压。具体而言，在输出电压的正半周期，上桥臂逐步投入更多子模块，下桥臂切除相应数量的子模块，使得交流输出电压逐渐升高至正峰值；在负半周期则相反，下桥臂投入子模块而上桥臂切除，实现负电压输出。通过这种有序的子模块投切控制，MMC逆变器能够输出接近正弦波的阶梯波电压，完成从直流到交流的电能转换任务。

三、最近电平逼近调制策略

3.1 NLM的基本思想

最近电平逼近调制的核心思想是：在任意时刻，通过投入适当数量的子模块，使桥臂输出的阶梯波电压尽可能地逼近正弦调制波的瞬时值。具体来说，将正弦调制波的瞬时值经过取整运算，直接确定当前时刻桥臂需要投入的子模块总数。这种“以阶梯逼近正弦”的思路，使得NLM在概念上非常直观，实现上也十分简便。

3.2 NLM的优势与适用场景

NLM调制具有计算量小、开关频率低等显著优势。相比于载波移相脉宽调制等传统策略，NLM无需复杂的载波生成与比较环节，控制系统的计算负担大大减轻。当MMC用于直流输电等高压大功率场合时，所需的电平数往往很多（实际工程中可达几百电平），此时NLM的优势尤为突出。理论分析和仿真结果均表明，采用NLM策略的MMC在较大的工作范围内都具有良好的调制波跟踪能力和较低的谐波水平。

当然，NLM也并非没有局限。当输出电平数较少时，NLM的输出电压波形可能存在较大的谐波分量。因此，NLM尤其适合子模块数量较多的高压大功率应用场景。

3.3 NLM在开环MMC中的实现

在开环MMC逆变器中，NLM的实现过程可以概括为以下几个步骤。首先，根据系统要求生成三相正弦参考电压信号，这些信号决定了目标输出电压的幅值、频率和相位。其次，对每相参考电压的瞬时值进行归一化处理，将其转换为对应的目标投入子模块数量。再次，根据计算结果确定上桥臂和下桥臂各自需要投入的子模块数量，上下桥臂投入子模块数之和恒等于桥臂子模块总数，以保证直流侧电压的稳定利用。最后，将投切指令转换为驱动IGBT的脉冲信号，控制相应子模块的投入与切除。

在上述过程中，一个关键的设计约束是上下桥臂子模块投入数量的互补关系——上桥臂投入数与下桥臂投入数之和等于每桥臂子模块总数。这一约束确保了直流母线电压在桥臂间的合理分配，是MMC正常运行的基本前提。

四、开环控制面临的关键问题

开环MMC逆变器由于不依赖输出反馈来调整控制信号，系统架构虽然简单，但也面临着若干需要妥善解决的技术挑战。

子模块电容电压均衡是首要问题。由于制造公差、开关损耗差异以及投切时序的不同，各子模块电容电压在工作过程中可能出现不一致。如果放任这种不均衡发展，某些子模块可能承受过高的电压应力，威胁系统安全。在开环框架下，通常采用基于排序的均压方法——对桥臂内各子模块的电容电压进行排序，再根据电流方向决定具体投切哪些子模块。冒泡排序是其中一种常用的排序算法。

桥臂环流抑制是另一个重要问题。由于MMC的特殊拓扑结构，在系统正常运行时桥臂内部会存在环流。环流的存在会加大系统损耗，并使桥臂电流波形产生畸变。在开环控制中，需要通过合理的参数设计和控制策略来抑制环流的不利影响。

负载适应性也是开环系统需要关注的方面。当负载发生变化时，开环系统无法通过反馈自动调整输出电压，因此需要预先设计好调制参数，使系统在预期的负载范围内保持可接受的输出性能。

五、Simulink仿真模型搭建

5.1 模型总体架构

在MATLAB/Simulink环境中搭建基于NLM的开环MMC逆变器仿真模型，通常包括以下几个核心模块：

MMC主电路模块：使用Simulink中的电力电子库（如Simscape Electrical / Specialized Power Systems）搭建MMC的物理拓扑，包括三相桥臂、各桥臂的子模块串联组以及桥臂电抗器。每个子模块通常由一个半桥电路（两个开关器件和一个电容）构成。

开环控制模块：该模块负责生成三相正弦参考电压信号，并实现NLM调制算法。NLM算法通常通过自定义函数块或S-Function来实现，根据参考电压计算每个时刻应投入哪些子模块。

参数监测与分析模块：为了评估模型性能，需要加入电压、电流测量模块以及频谱分析工具，用于观察输出电压和电流的波形质量、子模块电容电压的均衡情况以及谐波含量等关键指标。

5.2 关键参数设置

仿真模型的参数设置直接影响系统的输出性能。主要参数包括：

子模块数量：这是决定输出电压电平数的核心参数。子模块数量越多，输出阶梯波的台阶越细，波形越接近正弦，但系统的复杂性和仿真计算量也相应增加。对于N=6的配置，每个桥臂可输出7个电平；对于N=22的配置，上下桥臂协同可在交流侧输出45个电平。

子模块电容电压与电容值：电容电压决定了每个电平的步长，电容值则影响电压波动的幅度。电容值的设计需要确保在子模块投切过程中电压波动控制在允许范围内（通常要求小于额定值的5%）。

桥臂电感值：桥臂电抗器用于抑制环流和限制故障电流，其电感值需要根据电流纹波抑制要求进行设计。

参考电压参数：包括输出电压的幅值、频率（通常为工频50Hz）以及三相之间的相位差（120°）。

5.3 仿真运行与结果分析

完成模型搭建和参数设置后，设置合适的仿真时间和步长即可运行仿真。仿真结果的分析重点包括：

输出电压波形：观察交流侧输出的相电压和线电压波形，检查是否呈现良好的阶梯波形态，电平数是否与预期一致。

谐波特性：通过快速傅里叶变换（FFT）分析工具计算输出电压的总谐波畸变率（THD），评估波形的正弦度。研究表明，当电平数足够多时，NLM调制下MMC输出电压的谐波畸变率可控制在较低水平。

电容电压均衡：监测各子模块电容电压的波动情况，验证均压策略的有效性。

六、结语

本文围绕基于最近电平逼近的开环MMC逆变器开展了系统性的仿真研究。MMC作为一种先进的模块化多电平拓扑，在高压大功率电能变换领域具有显著优势。NLM调制策略以其计算简单、开关频率低的特点，非常适用于电平数较多的MMC系统。将NLM与开环控制相结合，能够在显著降低系统控制复杂度和硬件成本的同时，实现质量可接受的输出电压波形。

在Simulink仿真环境中，通过合理搭建MMC主电路模型、设计NLM控制算法以及配置关键参数，可以有效地模拟开环MMC逆变器的工作过程。仿真模型不仅能够用于验证NLM调制策略的有效性，还可以为后续更复杂的闭环控制研究提供基础平台。未来，可以进一步研究在开环框架下优化电容电压均衡策略和环流抑制方法，提升系统的整体性能与可靠性。

📚第二部分——运行结果

2.1 整体模型

2.2输出电压波形

2.3输出电流波形

MATLAB2021b版本

🎉第三部分——参考文献

文章中一些内容引自网络，会注明出处或引用为参考文献，难免有未尽之处，如有不妥，请随时联系删除。(文章内容仅供参考，具体效果以运行结果为准)

[1]王楚,宋平岗,李云丰.模块化多电平变流器的最近电平逼近调制策略[J].大功率变流技术, 2012(4):4.DOI:CNKI:SUN:BLJS.0.2012-04-006.

[2]李鹏鹏,郭家虎,梁克靖.基于MMC的最近电平逼近调制谐波特性分析[J].电源技术, 2014, 38(4):5.DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2014.04.048.

[3]熊成林,张晓华,余彬,等.一种适用于较少级联模块的H桥多电平变流器最近电平逼近调制改进算法[J].中国铁道科学, 2016, 37(5):8.DOI:10.3969/j.issn.1001-4632.2016.05.16.

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