Model predictive control of MMC in MVDC distribution systems

Modular Multilevel Converters (MMCs) have become a key technology for medium-voltage power conversion due to their modular architecture, scalability, and capability to generate high-quality output waveforms. In rectifier operation with a limited number of submodules, however, conventional nearest level control (NLC) introduces increased capacitor voltage ripple, circulating current interaction, and harmonic distortion, which can negatively affect converter performance and component lifetime. This thesis presents the modelling, design, and control of a 6 kV MMC rectifier consisting of six submodules per arm. A hierarchical control structure is implemented, including DC-link voltage regulation, dq current control, and circulating current suppression, enabling coordinated regulation of external power transfer and internal energy distribution within the converter. To overcome the limitations of conventional modulation, an improved predictive nearest level control (IPNLC) strategy is proposed. The method extends predictive modulation by employing a two-step prediction horizon together with a cost-function-based optimization that accounts for both output current tracking and circulating current behaviour, resulting in more informed switching decisions. Simulation results demonstrate that the proposed IPNLC significantly improves converter performance, reducing capacitor voltage ripple and considerably decreasing grid current total harmonic distortion. Furthermore, the controller maintains stable DC voltage regulation under variable load conditions, confirming enhanced energy balancing, improved waveform quality, and stronger dynamic robustness for MMC rectifier applications.

Convertitori Modulari Multilivello (MMC) sono diventati una tecnologia chiave per la conversione di potenza in media tensione grazie alla loro architettura modulare, scalabilità e capacità di generare forme d’onda di alta qualità. Tuttavia, nel funzionamento come raddrizzatore con un numero limitato di sottomoduli, il controllo convenzionale Nearest Level Control (NLC) introduce un aumento del ripple della tensione dei condensatori, interazioni della corrente circolante e distorsione armonica, che possono influire negativamente sulle prestazioni del convertitore e sulla vita utile dei componenti. Questa tesi presenta la modellazione, il dimensionamento e il controllo di un raddrizzatore MMC da 6 kV composto da sei sottomoduli per braccio. Viene implementata una struttura di controllo gerarchica comprendente la regolazione della tensione DC, il controllo di corrente nel riferimento dq e la soppressione della corrente circolante, consentendo una regolazione coordinata del trasferimento di potenza esterno e della distribuzione energetica interna al convertitore. Per superare i limiti della modulazione convenzionale, viene proposta una strategia di Improved Predictive Nearest Level Control (IPNLC). Il metodo estende la modulazione predittiva utilizzando un orizzonte di previsione a due passi e un’ottimizzazione basata su funzione di costo che considera sia l’inseguimento della corrente di uscita sia il comportamento della corrente circolante, permettendo decisioni di commutazione più efficaci. I risultati di simulazione dimostrano che la strategia IPNLC proposta migliora significativamente le prestazioni del convertitore, riducendo il ripple della tensione dei condensatori e diminuendo sensibilmente la distorsione armonica totale della corrente di rete. Inoltre, il controllore mantiene una regolazione stabile della tensione DC anche in condizioni di carico variabile, confermando un migliore bilanciamento energetico, una qualità delle forme d’onda superiore e una maggiore robustezza dinamica per le applicazioni del raddrizzatore MMC