一种模块化多电平换流器冗余容错控制方法技术领域
本发明涉及换流器技术领域，特别涉及一种换流器的冗余容错控制方法。
背景技术
电压源型换流器拓扑结构主要分为两电平、三电平等形式，在直流输电工程中应
用较多，但是这类拓扑结构存在开关频率高、串联动态均压、谐波含量大等缺点。德国学者
Lesnicar和R.Marquardt提出的模块化多电平换流器(MMC)，相比于传统两电平电压源型换
流器，具有模块化程度高、损耗小、可扩展性强、输出波形质量好、拥有故障穿越能力等优
势。2010年，西门子公司投运的美国“Trans Bay Cable”工程中首次使用此种拓扑结构的换
流器。近年来，在我国建设的柔性直流输电工程中模块化多电平换流器也有所使用。2011
年，亚洲首条柔性直流输电示范工程上海南汇风电场柔性直流输电工程投运，额定直流电
压±30kV，额定容量18MW。
模块化多电平换流器包含子模块数量众多，部分子模块发生故障导致换流器不能
正常工作，很大程度上降低了换流器工作的可靠性。因此，在子模块输出端设置快速旁路开
关，方便故障子模块旁路，减小对换流器的影响。
由于子模块由IGBT、二极管和储能电容器组成，子模块故障主要存在以下几种情
况：IGBT故障、储能电容器不能正常工作、触发系统存在故障。目前，对于故障子模块进行冗
余备用处理，即在桥臂上增加冗余子模块，保证子模块故障时可以将冗余子模块投入运行，
减小对MMC的影响。关于冗余备用保护方式主要分为热备用冗余保护方式和冷备用冗余保
护方式两种。冷备用冗余保护方式为当子模块未发生故障时，冗余子模块不投入运行，当子
模块发生故障时，冗余子模块替换故障子模块。热备用冗余保护方式为在子模块未发生故
障时，冗余子模块投入运行；当子模块发生故障时，旁路故障子模块。由于热备用冗余保护
方式相比于冷备用冗余保护方式启动时间较短，其暂态过程较短，控制过程较为简单，热备
用冗余保护方式应用较为广泛。
当MMC采用热备用冗余保护方式时存在两种方案：一种方案是不仅旁路故障子模
块，其他桥臂旁路同样数量的子模块；另外一种方案是仅旁路故障子模块，其他桥臂不改
变。虽然第一种方案实现了系统对称运行，但是需旁路的子模块个数较多，造成换流器工作
的不稳定。第二种方案虽然很大程度减少旁路正常工作子模块带来的风险，但是会形成换
流器桥臂间不对称运行。由于第二种方案相比于第一种方案实现难度较小，更为经济、可
靠，更多的采用第二种方案。但是，采用第二种方案会给MMC带来诸多的影响，比如环流成分
的变化、子模块电容电压不均衡，等等。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术之缺陷，提供一种模块化多电平换流器冗余
容错控制方法，它可以在冗余容错状态下进行模块化多电平换流器内部的环流抑制和子模
块电容的均压，以提高模块化多电平换流器的故障穿越能力和工作稳定性。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种模块化多电平换流器冗余容错控制方法，所述方法在模块化多电平换流器交
流侧设置逆变控制器，对模块化多电平换流器进行冗余容错模型预测控制，所述冗余容错
模型预测控制包含交流电流跟踪、子模块电容电压均衡、环流抑制三个控制目标，每个控制
目标定义一个目标函数，其中，交流电流跟踪目标函数计算MMC所有可能开关状态的目标函
数值，子模块电容电压均衡目标函数计算MMC所有可能开关状态下的数值，并通过交流电流
跟踪权重系数和子模块电容电压均衡权重系数计算两个目标函数的综合目标函数值，选取
其中的最小值，并记录综合目标函数最小值对应的开关状态Sj min和对应的预测时刻子模块
电容电压排序矩阵前kjxmin(j＝a,b,c)(x＝p,l)个子模块电容电压之和
环流抑制目标函数为计算所有环流抑制电平下目标函数值，选取环流
抑制目标函数的最小值，根据环流抑制目标函数最小值对应的环流抑制补偿电平调整开关
状态Sj min和将调整后的开关状态Sj min_cir输入到MMC中，作为下一时刻
MMC的开关状态，实现在冗余容错状况下模块化多电平换流器的环流抑制和子模块电容电
压均衡。
上述模块化多电平换流器冗余容错控制方法，所述冗余容错模型预测控制的具体
步骤如下：
a.usj(j＝a,b,c)测量模块对模块化多电平换流器交流侧电压进行采样，采样周期
为Ts，得到三相交流电压t时刻实际值usa(t)、usb(t)、usc(t)；
b.三相交流电压t时刻实际值usa(t)、usb(t)、usc(t)经过三相静止坐标系到两相旋
转坐标系的坐标变换输出t时刻两相旋转坐标系下交流电压实际值usd(t)和usq(t)；
c.有功功率给定值Pref与相除，得到t时刻d轴交流电流给定值idref(t)；
d.无功功率给定值Qref与相除，得到t时刻q轴交流电流给定值iqref(t)；
e.idref(t)和iqref(t)经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的坐标变换输出t时
刻三相静止坐标系下交流电流给定值iaref(t)、ibref(t)、icref(t)；
f.uSMjxi(j＝a,b,c)(x＝p,l)测量模块对模块化多电平换流器所有子模块电容电
压进行采样，采样周期为Ts，得到所有子模块电容电压t时刻实际值uSMjxi(t)；
g.ijx测量模块对模块化多电平换流器所有桥臂电流进行采样，采样周期为Ts，得
到所有桥臂电流t时刻实际值iap(t)、ibp(t)、icp(t)、ial(t)、ibl(t)、icl(t)；
h.根据各个桥臂正常运行子模块数量确定各个桥臂预测时刻子模块电容电压排
序矩阵uSM_apsort(t+Ts)、uSM_alsort(t+Ts)、uSM_bpsort(t+Ts)、uSM_blsort(t+Ts)、uSM_cpsort(t+Ts)、
uSM_clsort(t+Ts)的个数，故障子模块不进行电容电压排序环节；
j.isj测量模块对模块化多电平换流器的交流电流进行采样，采样周期为Ts，得到
三相交流电流t时刻实际值isa(t)、isb(t)、isc(t)；
k.ijcir测量模块对模块化多电平换流器的环流进行采样，采样周期为Ts，得到三相
环流t时刻实际值iacir(t)、ibcir(t)、iccir(t)；
l.根据各个桥臂子模块电容电压t时刻实际值uSMjxi(t)和所有桥臂电流t时刻实际
值iap(t)、ibp(t)、icp(t)、ial(t)、ibl(t)、icl(t)，计算模块化多电平换流器所有开关状态下
各个桥臂正常子模块电容电压预测值uSMjxi(t+Ts)(i＝1,2,3,…,Nnormal)；
m.对各个桥臂正常运行的子模块电容电压预测值uSMjxi(t+Ts)分别按照各个桥臂
电流的方向进行排序，若桥臂电流为子模块电容充电方向，则预测时刻子模块电容电压按
照升序进行排列，并依次记录到预测时刻子模块电容电压排序矩阵uSM_apsort(t+Ts)、
uSM_alsort(t+Ts)、uSM_bpsort(t+Ts)、uSM_blsort(t+Ts)、uSM_cpsort(t+Ts)、uSM_clsort(t+Ts)中，若桥臂
电流为子模块电容放电方向，则预测时刻子模块电容电压按照降序进行排列，并依次记录
到预测时刻子模块电容电压排序矩阵uSM_apsort(t+Ts)、uSM_alsort(t+Ts)、uSM_bpsort(t+Ts)、
uSM_blsort(t+Ts)、uSM_cpsort(t+Ts)、uSM_clsort(t+Ts)中；
n.从预测时刻子模块电容电压排序矩阵的首端开始选取子模块，根据isa(t)、isb
(t)、isc(t)和各个桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵，计算模块化多电平换流器所有
开关状态下三相交流电流预测值iprea(t+Ts)k、ipreb(t+Ts)k、iprec(t+Ts)k，分别与预测时刻交
流电流给定值iaref(t+Ts)、ibref(t+Ts)、icref(t+Ts)相比较，分别计算得到各个相所有开关状
态交流电流跟踪目标函数值JAC_a、JAC_b、JAC_c；
o.由正常运行子模块电容电压t时刻实际值、各个桥臂电流t时刻实际值计算正常
运行子模块电容电压预测值，并与子模块电容电压给定值uSMref相比较，分别计算得到各个
相所有开关状态子模块电容电压均衡目标函数值JSM_a、JSM_b、JSM_c；
p.根据J1_j＝αACJAC_j+αcJSM_j分别计算各个相(N+1)种开关状态的目标函数J1_j，其
中αAC和αc分别为交流电流跟踪权重系数和子模块电容电压均衡权重系数，选取目标函数的
最小值，记为J1min_a、J1min_b、J1min_c，记录目标函数最小值对应的开关状态Sa min、Sb min、Sc min
和对应的各个桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵前kjx min个子模块电容电压之和
q.根据三相环流t时刻实际值iacir(t)、ibcir(t)、iccir(t)、目标函数最小值J1min_a、
J1min_b、J1min_c对应的开关状态Sa min、Sb min、Sc min、目标函数最小值J1min_a、J1min_b、J1min_c对应
的各个桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵前kjxmin个子模块电容电压之和
预测时刻环流给定值以及环流抑制补偿电平ujciradd计算三相各个环流
抑制电平下环流预测值和环流抑制目标函数Jcira、Jcirb、Jcirc，并选取其中的最小值
Jcir min a、Jcir min b、Jcir min c，记录环流抑制目标函数最小值对应的开关状态Sa min_cir、
Sb min_cir、Sc min_cir，若某相环流抑制目标函数最小值对应的环流抑制补偿电平为正，则该相
的上、下桥臂需同时增加投入子模块的个数，即开关状态Sa min、Sb min、Sc min需进行改变，上、
下桥臂同时增加投入的子模块选取对应桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵中未被选
择投入且排位靠前的子模块，那么调整后对应的开关状态为Sa min_cir、Sb min_cir、Sc min_cir，若
某相环流抑制目标函数最小值对应的环流抑制补偿电平为负，则该相的上、下桥臂需同时
切除相同数量的子模块，即开关状态Sa min、Sb min、Sc min需进行改变，上、下桥臂同时切除的
子模块选取对应桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵靠后且选择投入的子模块，那么调
整后对应的开关状态为Sa min_cir、Sb min_cir、Sc min_cir，若某相环流抑制目标函数最小值对应
的环流抑制补偿电平为0，则该相的上、下桥臂不需要同时投入或切除子模块，即开关状态
Sa min、Sb min、Sc min不需要进行调整，那么开关状态Sa min_cir、Sb min_cir、Sc min_cir与Sa min、
Sb min、Sc min一致；
r.将Sa min_cir、Sb min_cir、Sc min_cir输送到模块化多电平换流器中，作为下一时刻模
块化多电平换流器的开关状态。
上述模块化多电平换流器冗余容错控制方法，所述交流电流预测值的数学模型
为：
其中，iprej(t+Ts)k为第k个状态j相交流电流预测值；为对应第k
个状态预测时刻j相上桥臂子模块电容电压排序矩阵前kp个子模块电容电压之和；
为对应第k个状态预测时刻j相下桥臂子模块电容电压排序矩阵前kl个子
模块电容电压之和；uSM_jpsortr(t+Ts)为预测时刻j相上桥臂子模块电容电压排序矩阵第r个
子模块电容电压；uSM_jlsortr(t+Ts)为预测时刻j相下桥臂子模块电容电压排序矩阵第r个子
模块电容电压；Ts为采样周期；L'为等效交流侧电感和桥臂电感；isj(t)为t时刻j相交流电
流实际值；usj(t+Ts)为三相交流电流预测值，采样周期很小时，usj(t+Ts)可以近似为usj(t)。
上述模块化多电平换流器冗余容错控制方法，所述交流电流跟踪目标函数为：
JAC_j＝|ijref(t+Ts)-iprej(t+Ts)k|
其中，ijref(t+Ts)为预测时刻j相交流电流给定值，采样周期很小时，ijref(t+Ts)可
以近似为ijref(t)。
上述模块化多电平换流器冗余容错控制方法，所述子模块电容电压预测值的数学
模型为：
其中，uSMjxi(t+Ts)为j相预测时刻子模块电容电压；uSMjxi(t)为t时刻j相子模块电
容电压实际值；C为子模块电容值；为t时刻j相上、下桥臂电流实
际值。
上述模块化多电平换流器冗余容错控制方法，所述子模块电容电压均衡目标函数
为：
其中，Nnormal为桥臂正常运行子模块个数；uSMref为子模块电容电压给定值，
Udc为直流侧电压；N为MMC桥臂额定子模块个数。
上述模块化多电平换流器冗余容错控制方法，计算子模块电容电压预测值时，只
需计算正常运行的子模块即可。
上述模块化多电平换流器冗余容错控制方法，所述环流预测值的数学模型为：
其中，(d为正整数)为j相环流抑
制补偿电平；ijcir(t+Ts)为预测时刻j相环流；Larm为换流器桥臂电感；为
目标函数最小值J1min_j对应的j相上桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵前kp min个子模
块电容电压之和；为目标函数最小值J1min_j对应的j相下桥臂预测时刻子
模块电容电压排序矩阵前kl min个子模块电容电压之和；ijcir(t)为t时刻j相环流实际值。
上述模块化多电平换流器冗余容错控制方法，所述环流抑制目标函数为：
Jcirj＝|ijcir_ref(t+Ts)-ijcir(t+Ts)|
其中，ijcir_ref(t+Ts)为预测时刻j相环流给定值，idc为直流侧电
流。
上述模块化多电平换流器冗余容错控制方法，所述目标函数J1计算(N+1)次，其中
N表示MMC桥臂额定子模块个数。
上述模块化多电平换流器冗余容错控制方法，所述环流抑制补偿电平ujciradd可以
根据模块化多电平换流器实际情况进行调整。
上述模块化多电平换流器冗余容错控制方法，所述αAC交流电流跟踪权重系数和αc
子模块电容电压均衡权重系数需根据模块化多电平换流器实际运行情况酌情进行取值。
上述模块化多电平换流器冗余容错控制方法，所述采样周期Ts的取值要适当，以
不影响模块化多电平换流器工作和保持较好的控制效果为前提。
上述模块化多电平换流器冗余容错控制方法，所述子模块电容电压排序矩阵为子
模块电容电压预测值进行排序。
上述模块化多电平换流器冗余容错控制方法，首先根据交流电流跟踪目标函数、
子模块电容电压均衡及其相应的权重系数，计算得到两个目标函数的综合目标函数最小
值，并将此目标函数最小值对应的开关状态和对应的预测时刻子模块电容电压排序矩阵前
kjxmin(j＝a,b,c)(x＝p,l)个子模块电容电压之和输送到环流抑制目标
函数计算中，基于环流抑制目标函数的最小值调整综合目标函数最小值对应的开关状态。
本发明采用模型预测控制策略对逆变器进行模块化多电平换流器冗余容错控制。
所述方法减少了模块化多电平换流器的调制环节，可以实现对MMC内部环流交流分量的抑
制和子模块电容电压均衡的控制，提高了模块化多电平换流器的故障穿越能力和工作的稳
定性。
附图说明
图1为本发明提供的模块化多电平换流器逆变侧控制原理结构方框图，说明模块
化多电平换流器主电路结构及模块化多电平换流器冗余容错模型预测控制原理；
图2为本发明提供的冗余容错控制目标函数计算示意图，说明模块化多电平换流
器冗余容错模型预测控制目标函数，即交流电流跟踪目标函数、子模块电容电压均衡目标
函数以及环流抑制目标函数的计算过程；
附图或文中所用标号清单为：
Pref：有功功率给定值， Qref：无功功率给定值，
usa(t)：t时刻a相交流电压实际值， usb(t)：t时刻b相交流电压实际值，
usc(t)：t时刻c相交流电压实际值， idref(t)：t时刻d轴交流电流给定值，
iqref(t)：t时刻q轴交流电流给定值， iaref(t)：t时刻a相交流电流给定值，
ibref(t)：t时刻b相交流电流给定值， icref(t)：t时刻c相交流电流给定值，
iacir(t)：t时刻a相环流实际值， ibcir(t)：t时刻b相环流实际值，
iccir(t)：t时刻c相环流实际值， isa(t)：t时刻a相交流电流实际值，
isb(t)：t时刻b相交流电流实际值， isc(t)：t时刻c相交流电流实际值，
Nnormal：桥臂正常运行子模块个数， usd(t)：t时刻交流电压d轴实际值，
usq(t)：t时刻交流电压q轴实际值， ijp(t)：t时刻j相上桥臂电流实际值，
ijl(t)：t时刻j相下桥臂电流实际值， J1min_j：j相目标函数J1_j的最小值，
Sj min：j相对应J1min_j的开关状态， ujciradd：j相环流抑制补偿电平，
Jcir min j：j相环流抑制目标函数最小值， C：子模块电容值，
Sj min_cir：j相对应Jcir min j的开关状态， Ts：采样周期，
Udc：直流侧电压， idc：直流侧电流，
αAC：交流电流跟踪权重系数， αc：子模块电容电压均衡权重系数，
L'：等效交流侧电感和桥臂电感， uSMref：子模块电容电压给定值，
N：MMC桥臂额定子模块个数， Larm：换流器桥臂电感，
ijcir(t+Ts)：预测时刻j相环流，
J1_j：所有开关状态j相综合目标函数值，即所有开关状态j相交流电流跟踪目标函
数和所有开关状态j相子模块电容电压均衡目标函数值根据相应的权重系数计算得到的目
标函数值，
Jcirj：所有环流抑制补偿电平j相环流抑制目标函数值，
JAC_j：所有开关状态j相交流电流跟踪目标函数值，
ijref(t+Ts)：预测时刻j相交流电流给定值，
ijcir_ref(t+Ts)：预测时刻j相环流给定值，
iprej(t+Ts)k：第k个状态j相交流电流预测值，
JSM_j：所有开关状态j相子模块电容电压均衡目标函数值，
uSM_jpsort(t+Ts)：预测时刻j相上桥臂子模块电容电压排序矩阵，
uSM_jlsort(t+Ts)：预测时刻j相下桥臂子模块电容电压排序矩阵，
uSM_jpsortr(t+Ts)：j相上桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵第r个子模块电容
电压，
uSM_jpsortr(t+Ts)：j相下桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵第r个子模块电容
电压，
uSMjxi(t)(j＝a,b,c)(x＝p,l)：t时刻j相子模块电容电压实际值，
uSMjxi(t+Ts)(i＝1,2,3,…,Nnormal)：j相预测时刻子模块电容电压，
对应第k个状态预测时刻j相上桥臂子模块电容电压排序矩阵
前kp个子模块电容电压之和，
对应第k个状态预测时刻j相下桥臂子模块电容电压排序矩阵
前kl个子模块电容电压之和，
目标函数最小值J1min_j对应的j相上桥臂预测时刻子模块电容
电压排序矩阵前kp min个子模块电容电压之和，
目标函数最小值J1min_j对应的j相下桥臂预测时刻子模块电容
电压排序矩阵前kl min个子模块电容电压之和；
1、交流系统，2、变压器，3、交流侧电感，4、桥臂电阻，5、桥臂电感，6、(N+Nr)个子模
块，7、直流电源，8、接地极。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明的模块化多电平换流器逆变侧主电路结构包括：
交流系统1，与变压器2相连接。变压器2，与交流侧电感3和交流系统1相连接。交流
侧电感3，与变压器2和桥臂电阻4相连接，是交流侧与模块化多电平换流器能量交换的纽
带，同时也起到一定的滤波作用。桥臂电阻4，与交流侧电感3和桥臂电感5相连接。桥臂电感
5，与桥臂电阻4和(N+Nr)个子模块6相连接，起到一定的环流抑制作用。桥臂(N+Nr)个子模块
6，与桥臂电感5和直流电源7正极相连接。直流电源7，与桥臂(N+Nr)个子模块6和接地极8相
连接。
参见图1，本发明所提供的模块化多电平换流器逆变侧采用冗余容错模型预测控
制策略，包括如下步骤：
第一步：usj(j＝a,b,c)测量模块对模块化多电平换流器交流侧电压进行采样，采
样周期为Ts，得到三相交流电压t时刻实际值usa(t)、usb(t)、usc(t)；
第二步：三相交流电压t时刻实际值usa(t)、usb(t)、usc(t)经过三相静止坐标系到
两相旋转坐标系的坐标变换输出t时刻两相旋转坐标系下交流电压实际值usd(t)和usq(t)；
第三步：有功功率给定值Pref与相除，得到t时刻d轴交流电流给定值idref
(t)；
第四步：无功功率给定值Qref与相除，得到t时刻q轴交流电流给定值iqref
(t)；
第五步：idref(t)和iqref(t)经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的坐标变换输
出t时刻三相静止坐标系下交流电流给定值iaref(t)、ibref(t)、icref(t)；
第六步：uSMjxi(j＝a,b,c)(x＝p,l)测量模块对模块化多电平换流器所有子模块电
容电压进行采样，采样周期为Ts，得到所有子模块电容电压t时刻实际值uSMjxi(t)；
第七步：ijx测量模块对模块化多电平换流器所有桥臂电流进行采样，采样周期为
Ts，得到所有桥臂电流t时刻实际值iap(t)、ibp(t)、icp(t)、ial(t)、ibl(t)、icl(t)；
第八步：根据各个桥臂正常运行子模块数量确定各个桥臂预测时刻子模块电容电
压排序矩阵uSM_apsort(t+Ts)、uSM_alsort(t+Ts)、uSM_bpsort(t+Ts)、uSM_blsort(t+Ts)、uSM_cpsort(t+
Ts)、uSM_clsort(t+Ts)的个数，故障子模块不进行电容电压排序环节；
第九步：isj测量模块对模块化多电平换流器的交流电流进行采样，采样周期为Ts，
得到三相交流电流t时刻实际值isa(t)、isb(t)、isc(t)；
第十步：ijcir测量模块对模块化多电平换流器的环流进行采样，采样周期为Ts，得
到三相环流t时刻实际值iacir(t)、ibcir(t)、iccir(t)；
第十一步：根据测量的实际值、预测时刻给定值和目标函数，计算所有可能状态下
的目标函数，选取目标函数最小值，将目标函数最小值对应的开关状态作为下一时刻的开
关状态输入到MMC中，实现对MMC的控制。
参见图2，所述模块化多电平换流器冗余容错模型预测控制目标函数计算的具体
步骤如下：
第一步：根据各个桥臂子模块电容电压t时刻实际值uSMjxi(t)和所有桥臂电流t时
刻实际值iap(t)、ibp(t)、icp(t)、ial(t)、ibl(t)、icl(t)，计算模块化多电平换流器所有开关
状态下各个桥臂正常子模块电容电压预测值uSMjxi(t+Ts)(i＝1,2,3,…,Nnormal)；
第二步：对各个桥臂正常运行的子模块电容电压预测值uSMjxi(t+Ts)分别按照各个
桥臂电流的方向进行排序，若桥臂电流为子模块电容充电方向，则预测时刻子模块电容电
压按照升序进行排列，并依次记录到预测时刻子模块电容电压排序矩阵uSM_apsort(t+Ts)、
uSM_alsort(t+Ts)、uSM_bpsort(t+Ts)、uSM_blsort(t+Ts)、uSM_cpsort(t+Ts)、uSM_clsort(t+Ts)中，若桥臂
电流为子模块电容放电方向，则预测时刻子模块电容电压按照降序进行排列，并依次记录
到预测时刻子模块电容电压排序矩阵uSM_apsort(t+Ts)、uSM_alsort(t+Ts)、uSM_bpsort(t+Ts)、
uSM_blsort(t+Ts)、uSM_cpsort(t+Ts)、uSM_clsort(t+Ts)中；
第三步：从预测时刻子模块电容电压排序矩阵的首端开始选取子模块，根据isa
(t)、isb(t)、isc(t)和各个桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵，计算模块化多电平换流
器所有开关状态下三相交流电流预测值iprea(t+Ts)k、ipreb(t+Ts)k、iprec(t+Ts)k，分别与预测
时刻交流电流给定值iaref(t+Ts)、ibref(t+Ts)、icref(t+Ts)相比较，分别计算得到各个相所有
开关状态交流电流跟踪目标函数值JAC_a、JAC_b、JAC_c；
第四步：由正常运行子模块电容电压t时刻实际值、各个桥臂电流t时刻实际值计
算正常运行子模块电容电压预测值，并与子模块电容电压给定值uSMref相比较，分别计算得
到各个相所有开关状态子模块电容电压均衡目标函数值JSM_a、JSM_b、JSM_c；
第五步：根据J1_j＝αACJAC_j+αcJSM_j分别计算各个相(N+1)种开关状态的目标函数
J1_j，其中αAC和αc分别为交流电流跟踪权重系数和子模块电容电压均衡权重系数，选取目标
函数的最小值，记为J1min_a、J1min_b、J1min_c，记录目标函数最小值对应的开关状态Sa min、
Sb min、Sc min和对应的各个桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵前kjxmin个子模块电容电
压之和
第六步：根据三相环流t时刻实际值iacir(t)、ibcir(t)、iccir(t)、目标函数最小值
J1min_a、J1min_b、J1min_c对应的开关状态Sa min、Sb min、Sc min、目标函数最小值J1min_a、J1min_b、
J1min_c对应的各个桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵前kjxmin个子模块电容电压之和
预测时刻环流给定值以及环流抑制补偿电平ujciradd计算三相各个环流
抑制电平下环流预测值和环流抑制目标函数Jcira、Jcirb、Jcirc，并选取其中的最小值
Jcir min a、Jcir min b、Jcir min c，记录环流抑制目标函数最小值对应的开关状态Sa min_cir、
Sb min_cir、Sc min_cir，若某相环流抑制目标函数最小值对应的环流抑制补偿电平为正，则该相
的上、下桥臂需同时增加投入子模块的个数，即开关状态Sa min、Sb min、Sc min需进行改变，上、
下桥臂同时增加投入的子模块选取对应桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵中未被选
择投入且排位靠前的子模块，那么调整后对应的开关状态为Sa min_cir、Sb min_cir、Sc min_cir，若
某相环流抑制目标函数最小值对应的环流抑制补偿电平为负，则该相的上、下桥臂需同时
切除相同数量的子模块，即开关状态Sa min、Sb min、Sc min需进行改变，上、下桥臂同时切除的
子模块选取对应桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵靠后且选择投入的子模块，那么调
整后对应的开关状态为Sa min_cir、Sb min_cir、Sc min_cir，若某相环流抑制目标函数最小值对应
的环流抑制补偿电平为0，则该相的上、下桥臂不需要同时投入或切除子模块，即开关状态
Sa min、Sb min、Sc min不需要进行调整，那么开关状态Sa min_cir、Sb min_cir、Sc min_cir与Sa min、
Sb min、Sc min一致；
第七步：将Sa min_cir、Sb min_cir、Sc min_cir输送到模块化多电平换流器中，作为下一时
刻模块化多电平换流器的开关状态。
本发明中的交流电流预测值的数学模型为：
其中，iprej(t+Ts)k为第k个状态j相交流电流预测值；为对应第k
个状态预测时刻j相上桥臂子模块电容电压排序矩阵前kp个子模块电容电压之和；
为对应第k个状态预测时刻j相下桥臂子模块电容电压排序矩阵前kl个子
模块电容电压之和；uSM_jpsortr(t+Ts)为预测时刻j相上桥臂子模块电容电压排序矩阵第r个
子模块电容电压；uSM_jlsortr(t+Ts)为预测时刻j相下桥臂子模块电容电压排序矩阵第r个子
模块电容电压；Ts为采样周期；L'为等效交流侧电感和桥臂电感；isj(t)为t时刻j相交流电
流实际值；usj(t+Ts)为三相交流电流预测值，采样周期很小时，usj(t+Ts)可以近似为usj(t)。
本发明中的交流电流跟踪目标函数为：
JAC_j＝|ijref(t+Ts)-iprej(t+Ts)k|
其中，ijref(t+Ts)为预测时刻j相交流电流给定值，采样周期很小时，ijref(t+Ts)可
以近似为ijref(t)。
本发明中的交流电流跟踪目标函数是确保模块化多电平换流器交流侧电流跟踪
交流电流给定值，其通过所有开关状态下对应的各个桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩
阵前kjx个子模块电容电压之和以及三相交流电流实际值计算交流电流预测值，将交流电流
预测值与预测时刻交流电流给定值相比较，得到交流电流跟踪目标函数值；子模块电容电
压均衡为实现模块化多电平换流器内部正常运行子模块电容电压稳定在子模块电容电压
给定值附近，其通过桥臂电流和正常运行子模块电容电压实际值计算得到子模块电容电压
预测值，并将子模块电容电压预测值与子模块电容电压给定值相比较，得到子模块电容电
压均衡目标函数值，将交流电流跟踪目标函数和子模块电容电压均衡目标函数依据一定的
权重系数计算得到目标函数值J1_j(j＝a,b,c)，并选取其中的最小值J1min_j，记录最小值对
应的开关状态及对应的各个桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵前kjxmin个子模块电容
电压之和；环流抑制目标是实现抑制模块化多电平换流器内部环流交流分量，其通过环流
抑制补偿电平、环流实际值、目标函数最小值J1min_j对应的开关状态、以及目标函数最小值
J1min_j对应的各个桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵前kjxmin个子模块电容电压之和，
将环流预测值与环流给定值相比较，得到环流抑制目标函数值。
本发明中的子模块电容电压预测值的数学模型为：
其中，uSMjxi(t+Ts)为j相预测时刻子模块电容电压；uSMjxi(t)为t时刻j相子模块电
容电压实际值；C为子模块电容值；为t时刻j相上、下桥臂电流实
际值。
本发明中的子模块电容电压均衡目标函数为：
其中，Nnormal为桥臂正常运行子模块个数；uSMref为子模块电容电压给定值，
为直流侧电压；N为MMC桥臂额定子模块个数。
本发明中的计算子模块电容电压预测值时，只需计算正常运行的子模块即可。
本发明中的环流预测值的数学模型为：
其中，(d为正整数)为j相环流
抑制补偿电平；ijcir(t+Ts)为预测时刻j相环流；Larm为换流器桥臂电感；
为目标函数最小值J1min_j对应的j相上桥臂预测时刻子模块电容电压排序矩阵前kp min个子
模块电容电压之和；为目标函数最小值J1min_j对应的j相下桥臂预测时刻
子模块电容电压排序矩阵前kl min个子模块电容电压之和；ijcir(t)为t时刻j相环流实际值。
本发明中的环流抑制目标函数为：
Jcirj＝|ijcir_ref(t+Ts)-ijcir(t+Ts)|
其中，ijcir_ref(t+Ts)为预测时刻j相环流给定值，idc为直流侧电
流。
本发明中的目标函数J1计算(N+1)次，其中N表示MMC桥臂额定子模块个数。
本发明中的环流抑制补偿电平ujciradd可以根据模块化多电平换流器实际情况进
行调整。
本发明中的αAC交流电流跟踪权重系数和αc子模块电容电压均衡权重系数需根据
模块化多电平换流器实际运行情况酌情进行取值。
本发明中的采样周期Ts的取值要适当，以不影响模块化多电平换流器工作和保持
较好的控制效果为前提。
本发明中的子模块电容电压排序矩阵为子模块电容电压预测值进行排序。
本发明中的冗余容错控制方法，首先根据交流电流跟踪目标函数、子模块电容电
压均衡及其相应的权重系数，计算得到两个目标函数的综合目标函数最小值，并将此目标
函数最小值对应的开关状态和目标函数最小值J1min_j对应的各个桥臂预测时刻子模块电容
电压排序矩阵前kjxmin个子模块电容电压之和输送到环流抑制目标函数计算中，基于环流抑
制目标函数的最小值调整综合目标函数最小值对应的开关状态。
上述计算所有开关状态下目标函数，交流电流跟踪误差绝对值JAC_a、JAC_b、JAC_c的
计算中子模块的选取是从各个桥臂子模块电容电压排序矩阵的首端开始，然后依次进行。
综上所述，本发明提供的模块化多电平换流器冗余容错控制方法采用模块化多电
平换流器冗余容错模型预测控制策略，对模块化多电平换流器进行冗余容错模型预测控
制，所述冗余容错模型预测控制包含交流电流跟踪、子模块电容电压均衡、环流抑制三个控
制目标，每个控制目标定义一个目标函数，其中，交流电流跟踪目标函数计算MMC所有可能
开关状态的目标函数值，子模块电容电压均衡目标函数计算MMC所有可能开关状态下的数
值，并通过交流电流跟踪权重系数和子模块电容电压均衡权重系数计算两个目标函数的综
合目标函数值，选取其中的最小值，并记录综合目标函数最小值对应的开关状态Sj min和对
应的预测时刻子模块电容电压排序矩阵前kjxmin(j＝a,b,c)(x＝p,l)个子模块电容电压之
和环流抑制目标函数为计算所有环流抑制电平下目标函数值，选取环
流抑制目标函数的最小值，根据环流抑制目标函数最小值对应的环流抑制补偿电平调整开
关状态Sj min和将调整后的开关状态Sj min_cir输入到MMC中，作为下一时
刻MMC的开关状态，实现在冗余容错状况下模块化多电平换流器的环流抑制和子模块电容
电压均衡。