Comparative analysis of principal modulation techniques for modular multilevel converter and a modified reduced switching frequency algorithm for nearest level pulse width modulation

Abstract

The Modular Multilevel Converter (MMC) is an advanced topology widely used in medium and high-power applications, offering significant advantages over other multilevel converters, including high efficiency and superior output waveform quality. Problem. The modulation techniques and submodule capacitor voltage balancing significantly affect the performance of the MMC, influencing output voltage and current quality, capacitor voltage balancing, and power losses. Goal. This study presents a comparative analysis of 3 modulation techniques for a 3-phase MMC: Level-Shifted Pulse Width Modulation (LS-PWM), Nearest Level Control (NLC), and hybrid Nearest Level Pulse Width Modulation (NL-PWM). In addition, this study proposes a modification to the Reduced Switching Frequency (RSF) capacitor voltage balancing algorithm to adapt it for use with the NL-PWM technique. Methodology. The performance of each modulation technique is evaluated through simulations using MATLAB/Simulink software, in terms of output signal quality, capacitor voltage balancing, converter losses, and behavior under a line-to-ground fault. Results. The results show that both LS-PWM and NL-PWM generate lower harmonic content compared to NLC. However, the NLC technique presents the lowest switching losses, followed by NL PWM and LS-PWM. The NL-PWM technique shows intermediate performance, making it more appropriate for medium-voltage applications. The results also confirm the proposed modifications to the RSF capacitor voltage balancing algorithm. Additionally, the LS PWM technique shows greater robustness under fault conditions compared to the other techniques. Originality. For the first time, a comparative analysis of 3 modulation techniques for the MMC, LS-PWM, NLC, and NL-PWM has been conducted, highlighting their performance under different operating conditions. The study also proposes a modified RSF capacitor voltage balancing algorithm specifically for NL-PWM, which has not been previously explored in the literature. Practical value. The results of this study contribute to the selection of the most suitable modulation technique for MMC for specific applications. Модульний багаторівневий перетворювач (MMC) – це вдосконалена топологія, що широко використовується в системах середньої та високої потужності, пропонуючи значні переваги над іншими багаторівневими перетворювачами, включаючи високу ефективність та якість вихідної форми сигналу. Проблема. Методи модуляції та балансування напруги на конденсаторах підмодулів суттєво впливають на продуктивність MMC, впливаючи на якість вихідної напруги та струму, балансування напруги на конденсаторах та втрати потужності. Мета. Це дослідження представляє порівняльний аналіз трьох методів модуляції для трифазного MMC: імпульсна широтна модуляція зі зсувом рівнів (LS-PWM), керування найближчим рівнем (NLC) та гібридна імпульсна широтна модуляція найближчим рівнем (NL-PWM). Крім того, це дослідження пропонує модифікацію алгоритму балансування напруги на конденсаторах зі зниженою частотою перемикання (RSF) для адаптації його для використання з методом NL-PWM. Методологія. Продуктивність кожного методу модуляції оцінюється за допомогою моделювання з використанням програмного забезпечення MATLAB/Simulink з точки зору якості вихідного сигналу, балансування напруги на конденсаторах, втрат перетворювача та поведінки при замиканні між лінією та землею. Результати показують, що як LS PWM, так і NL-PWM генерують нижчий вміст гармонік порівняно з NLC. Однак, метод NLC має найнижчі втрати на перемикання, за ним йдуть NL-PWM та LS-PWM. Метод NL-PWM демонструє проміжні характеристики, що робить його більш придатним для застосувань середньої напруги. Результати також підтверджують запропоновані модифікації алгоритму балансування напруги конденсаторів RSF. Крім того, метод LS-PWM демонструє більшу стійкість в умовах несправності порівняно з іншими методами. Оригінальність. Вперше було проведено порівняльний аналіз трьох методів модуляції для MMC, LS-PWM, NLC та NL-PWM, що підкреслює їхню ефективність за різних умов експлуатації. У дослідженні також пропонується модифікований алгоритм балансування напруги конденсаторів RSF спеціально для NL-PWM, який раніше не досліджувався в літературі. Практична значимість. Результати цього дослідження сприяють вибору найбільш підходящого методу модуляції для MMC для конкретних застосувань.