一种基于载波移相调制的MMC冗余保护策略的实现方法

摘要

本发明提供了一种基于载波移相调制的MMC冗余保护策略的实现方法，首先根据MMC子模块的旁路开关状态，将子模块分成正常运行和冗余备用两个状态；然后采用给冗余子模块预充电的启动方式，并设计相应的载波动态分配器，用以解决当正常运行子模块故障，冗余备用子模块投入运行时的载波分配问题；最后充分考虑了冗余备用子模块投入运行对电容均压和环流抑制策略的影响，设计带有冗余保护功能的触发器；所设计的冗余保护策略，既能提高系统运行的可靠性，保证换流器在子模块故障时能继续正常运行，同时，能快速实现冗余子模块替换故障子模块，并不会对系统造成明显的扰动。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统运行和控制技术领域，涉及一种基于载波移相调制的 MMC冗余保护策略的实现方法。

背景技术

随着大功率电力电子器件的发展，基于IGBT等全控型电力电子器件和脉宽 调制（Pulse-width Modulation，PWM）技术的电压源型换流器（Voltage Source  Converter，VSC）成为直流输电发展的新趋势。基于电压源型换流器的高压直 流输电（High Voltage Direct Current,HVDC）系统由于其经济灵活和高可控的优 点，在大型风电场并网、分布式发电并网、孤岛供电、非同步交流电网互联以 及多端直流输电等领域得到了广泛的应用。

但常规的VSC-HVDC系统一般采用两电平或三电平电压源型换流器，存在 开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、换流站占地面积大的缺点，此外 还存在串联器件动态均压的问题。模块化多电平变流器（modular multilevel  converter，MMC）是目前最有前景的新型电压源换流器。它新型灵活模块化的 拓扑结构结构使其可扩展性强，容易实现冗余控制，并很好的克服了传统电压 源换流器存在开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、换流站占地面积大、 动态均压困难等缺点，成为近几年国内外研究的热点。

MMC的桥臂是由若干个结构相同的子模块（sub-module，SM）串联组成， 一旦有SM发生故障，换流器将无法正常工作，甚至可能退出运行。这将会对 整个直流系统的可靠性造成严重威胁。因此，设计子模块冗余保护策略是十分 必要的。

冗余保护策略根据所采用的调制方法的不同而不同。目前MMC的常用的 调制方法主要有三种：空间矢量脉宽调制方法（space vector pulse-width  modulation，SVPWM），最近电平调制方法（nearest level modulation，NLM）和 载波移相调制方法(carrier phase-shifted SPWM，CPS-SPWM)。各调制方法适用 于不同的应用场合，各有优缺点。其中，载波移相调制方法(carrier phase-shifted  SPWM，CPS-SPWM)由于其动态调节能力强，可以结合电容均压附加控制，减 少开关频率，且具有良好的谐波特性，在工程上得到了广泛的应用。但 CPS-SPWM方法通过每个子模块对应的载波与调制波的比较产生触发信号，并 不进行电容排序，因此CPS-SPWM无法像最近电平调制方法一样容易实现子模 块的冗余保护策略，这是目前CPS-SPWM遇到的主要问题之一。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于载波移相调制的MMC 冗余保护策略的实现方法，在子模块发生故障时，处理载波移相调制策略中冗 余子模块投运时的载波分配问题，而且不会对系统产生明显的扰动，具有通用 性，易于实现。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于载波移相调制的MMC冗余保护策略的实现方法，包括以下步骤：

步骤1：根据具有控保功能的MMC子模块旁路开关状态对子模块进行分类， 将各子模块分成正常运行子模块和冗余备用子模块；

步骤2：在步骤1的基础上，对所有子模块进行预充电的MMC启动策略， 对所有子模块电容进行预充电；

步骤3：在步骤2结束后，设计载波动态分配器在正常子模块发生故障、冗 余子模块投入运行时，对所有子模块对应载波进行再分配。

所述步骤1中具有控保功能的子模块包括串联的上下两个绝缘栅双极型晶 体管IGBT₁和IGBT₂，两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂分别反向并联 二极管D₁和D₂，上下两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂串联后并联有电 容C，下绝缘栅双极型晶体管IGBT₂并联有旁路开关K和旁路晶闸管T，根据 旁路开关K的状态，将各子模块分成正常运行子模块和冗余备用子模块；旁路 开关K闭合则为冗余备用子模块，旁路开关K断开则为正常运行子模块。

所述步骤2对所有子模块电容进行预充电的具体步骤如下：

步骤201：MMC系统启动的不控阶段，MMC每个桥臂上所有子模块的旁 路开关均打开，所有子模块的IGBT均处于开断状态，交流系统电压通过每个子 模块的二极管给电容C充电，电容C电压可达到最大值U_cmax：

U_cmax＝1.414U_s/(N+M)

其中，U_s是交流系统电压的有效值，N为正常运行子模块个数，M为冗余 备用子模块个数；

步骤202：MMC系统启动的可控阶段，每个子模块的电容电压达到不控阶 段的最大值U_cmax时，根据载波移相调制方法设计的触发器，由闭锁状态切换到 投入状态，系统进入启动的可控阶段，冗余备用子模块旁路开关闭合，所有冗 余备用子模块的载波为T_cb，冗余备用子模块IGBT均闭锁保持电压不变；同时， 正常运行子模块电容继续充电后载波为经过移相后的载波T_cps；

其中，T_cps为第i个元素相移2πi/N的载波，T_cb为用于产生IGBT闭锁触发 电平的载波。

所述步骤3对所有子模块对应载波进行再分配的具体步骤如下：

1）故障前：系统没有发生子模块故障时，正常运行子模块的载波为相移后 的载波T_cps，旁路开关均打开；冗余备用子模块的载波为T_cb，旁路开关均闭合；

2）故障时：闭合故障子模块的旁路开关，故障子模块退出运行，电容电压 放电为0，其载波为由原来的T_cps变成T_cb，IGBT均处于闭锁状态；同时，打开 替代故障子模块的冗余备用子模块的旁路开关，冗余子模块投入运行，其载波 保持原来的T_cb不变，该冗余子模块的电容继续充电；

3）故障后：当投入运行的冗余子模块的电容电压接近电容电压的额定值时， 投入运行的子模块载波改变为每个子模块分配相移后的载波T_cps；

其中，T_cps为第i个元素相移2πi/N的载波，T_cb为用于产生IGBT闭锁触发 电平的载波。

所述载波移相调制方法设计的触发器，在没有冗余备用子模块投入时，第j 个子模块的调制波M_uj由共同基本正弦调制波U_u叠加对应子模块的电容均压控 制值U_vbj和环流抑制控制值U_cir组成；对于冗余模块的电容均压控制值和环流抑 制控制值，需要先判断是否该冗余模块的载波为移相之后的载波，若是，则按 照正常子模块的调制波组成方式计算该模块的调制波，否则，不进行计算；

第j个子模块的调制波M_uj：

M_uj＝U_u+U_cir+U_vbj

1）U_u：是由dq解耦控制得到的每个子模块的共同基本正弦调制波，由式 计算得到：

$U_u=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2N}-\frac{u_r}{N}$

其中，U_dc是直流侧电压，u_r是换流器阀侧交流电压经过dq解耦控制得到的电压 值；

2）U_cir：是环流抑制控制量，通过在基本调制波U_u上，叠加环流抑制控制 器得到；具体实现过程为：将全部子模块电容电压的平均值U_cav与参考量U_cref比较后通过PI控制器产生环流整定值，再与三相桥臂间产生环流i_cir比较后经过 PI控制器产生环流抑制策略控制器输出值U_cir；

其中，三相桥臂间产生环流i_cir通过下式得到：

$i_{\mathrm{cir}}=\frac{1}{2}(i_u+i_l)$

其中，i_u与i_l分别指上桥臂与下桥臂电流；

子模块电容电压的平均值U_cav通过下式得到：

$U_{\mathrm{cav}}=\underset{j=1}{\overset{j=N+M}{\Sigma }}{K}_j·U_{\mathrm{cj}}$

其中，U_cj是第j个子模块的电容电压，K_j是第j个子模块的旁路开关状态；

3）U_vbi：是第i个子模块的电容均压控制量；将第j个子模块的电容电压 U_cj与参考值U_cref比较，经过比例环节，再通过桥臂电流方向来判断输出值的正 负，最后得到A相第j个子模块的均压控制值U_vbj。

本发明的基于载波移相调制的MMC冗余保护策略的实现方法，当有模块发 生故障时用冗余子模块进行替换，投入运行状态的子模块的总个数没有发生变 化，系统电压是由投入运行的子模块电容电压叠加而成，系统的电压和电流等 电气量并不会随着每个子模块载波的变化而产生明显的变化，既能提高系统运 行的可靠性，保证换流器在子模块故障时能继续正常运行，同时，能快速实现 冗余子模块替换故障子模块，并不会对系统造成明显的扰动。

附图说明

图1是本发明具有控保功能的子模块拓扑结构图；

图2是本发明的子模块的正常运行状态结构图；（a）为闭锁状态：（b）为 投入状态：（c）为旁路状态；

图3是本发明子模块的冗余备用状态结构图；

图4是本发明子模块载波分配过程示意图；（a）为系统未发生故障时载波 状态图；（b）为子模块3发生故障时载波状态图；（c）为冗余模块投入时载波 状态图；

图5是本发明载波动态分配器的流程图；

图6是本发明带有冗余保护的触发器实现流程图；

图7是本发明的环流抑制控制器；

图8是本发明的电容均压控制器；

图9是本发明提供的系统启动时A相上桥臂子模块电容电压；

图10是本发明提供的在预充电启动方式下，故障前后各子模块电容电压；

图11是本发明提供的在不预充电启动方式下，故障前后各子模块电容电 压；

图12是本发明提供的故障前后每个子模块的载波；（a）为故障前子模块载 波；（b）为故障后子模块载波；

图13是本发明提供的故障前后各电气变量的波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

一种基于载波移相调制的MMC冗余保护策略的实现方法，所述方法具体 包括以下步骤：

步骤1：根据具有控保功能的MMC子模块旁路开关状态对子模块进行分类， 将各子模块分成正常运行子模块和冗余备用子模块；

如图1所示，具有控保功能的子模块包括串联的上下两个绝缘栅双极型晶 体管IGBT₁和IGBT₂，两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂分别反向并联 二极管D₁和D₂，上下两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂串联后并联有电 容C，下绝缘栅双极型晶体管IGBT₂并联有旁路开关K和旁路晶闸管T，根据 旁路开关K的状态，将各子模块分成正常运行子模块和冗余备用子模块；旁路 开关K闭合则为冗余备用子模块，旁路开关K断开则为正常运行子模块。

（1）正常运行状态

当子模块的旁路开关断开时，子模块处于正常运行状态。如果正常运行的 子模块发生故障，则闭合其旁路开关，子模块从正常运行状态转入到冗余备用 状态。当子模块故障被排除，接入系统，保持旁路开关闭合，作为冗余子模块 备用。

在正常运行状态下，根据IGBT₁和IGBT₂的导通情况，又可以将子模块细 分为闭锁、投入和切除三个基本运行状态。

1）闭锁状态：如图2（a）所示，当IGBT₁与IGBT₂均关断时，此时电流i 正向（如图电流方向）经过反并联二极管D₁，电容C充电；或者反向经过D₂， 电容C不充电也不放电；

2）投入状态：如图2（b）所示，当IGBT₁导通且IGBT₂关断时，此时电流 正向经过D₁，电容C充电；或者反向经过IGBT₁，电容C放电；

3）旁路状态：如图2（c）所示，当IGBT₁关断且IGBT₂导通时，此时电流 正向经过IGBT₂，或者反向经过D₂，电容C不充电也不放电。

（2）SM冗余备用状态

当子模块的旁路开关闭合且IGBT₁与IGBT₂均关断时，子模块处于冗余备 用状态，如图3所示。当有正在运行状态的子模块发生故障时，冗余子模块的 旁路开关断开，子模块便从冗余备用状态转入正常运行状态。

为了维持冗余模块的电容电压值，冗余状态通常采用图3所示的连接方式。 即闭合旁路开关K，IGBT₁与IGBT₂均关断，此时旁路开关K将子模块短路， 电容C不充电也不放电，其电压不变。

步骤2：在步骤1的基础上，对所有子模块进行预充电的MMC启动策略， 对所有子模块电容进行预充电，保证冗余子模块投入运行的快速性；

对所有子模块电容进行预充电的具体步骤如下：

步骤201：MMC系统启动的不控阶段。不控阶段是指触发器闭锁，所有子 模块的IGBT均处于开断状态，交流系统电压通过每个子模块的二极管给电容充 电。对于N+1电平的MMC系统，每个桥臂有M个冗余子模块，N个正常运行 子模块，将MMC每个桥臂上N+M个子模块的旁路开关均打开，则交流系统对 桥臂上的N+M个子模块的电容进行充电，其可达到的最大值U_cmax为：

U_cmax＝1.414U_s/(N+M)    (1)

其中，U_s是交流线电压的有效值。

步骤202：MMC系统启动的可控阶段。可控阶段是指当每个子模块的电容 电压达到不控阶段的最大值U_cmax时，根据载波移相调制方法设计的触发器，由 闭锁状态切换到投入状态，系统进入启动的可控阶段。

为了清晰描述载波在子模块正常运行和故障时的动态分配问题，定义3个 记录载波的变量，如表1所示：

表1记录载波的变量

变量 描述 T_c维数为N+M，第i个元素表示子模块i的载波

T_cps维数为N，第i个元素表示相移2πi/N的载波 T_cb维数为1，用于产生IGBT闭锁触发电平的载波

在启动的可控阶段，将M个冗余子模块旁路开关闭合，所有冗余备用子模 块的载波为T_cb，使上下IGBT均闭锁的状态，处于如图3所示的冗余备用状态， 保持电压为不变。同时N个子模块的载波为N个经过移相后的载波T_cps，处于 图2所示的正常运行状态。

步骤3：在步骤2的启动过程结束后，设计载波动态分配器，用以解决正常 子模块发生故障，冗余子模块投入运行时对应的载波再分配的问题，并保证在 此过程中，不会对系统造成明显的扰动；

对投入的冗余子模块对应载波进行再分配的具体步骤如下：

在步骤2预充电启动结束的基础上，对于桥臂串联M个冗余子模块的N+1 电平MMC系统，设计灵活的载波动态分配器，用以解决正常子模块发生故障， 冗余子模块投入运行时对应的载波再分配的问题，并保证在此过程中，不会对 系统造成明显的扰动，载波动态分配器的实现流程如图5所示，具体步骤如下：

在实现流程图中，定义以下几个重要变量：

1）子模块的旁路开关状态变量K：其维数为N+M。K_i表示第i个子模块的 旁路开关状态，1表示旁路开关断开，该子模块处于正常运行状态；0表示旁路 开关闭合，该子模块处于冗余备用状态。

2）子模块的电容电压V_c：其维数为N+M。V_ci表示第i个子模块的电容电 压值。

3）子模块电容电压的额定值U_ref：其维数为1。由所直流侧电压U_dc与投入 运行的子模块个数N决定，采用式（2）计算得到：

U_ref＝U_dc/N    (2)

4）i是桥臂所有子模块的编号，设N是正常运行子模块个数，M是处于冗 余状态的子模块个数本专利，则i<=N+M；j是移相2π/N之后载波的编号，且 j<=N；

参考图5载波动态分配器的实现流步骤如下：

步骤1）：先判断第i个子模块的旁路开关的开合状态；若K_i=1，则旁路开 关是打开的；则进行步骤2；若K_i=0，则旁路开关是闭合的；进行步骤3；

步骤2）：判断第i个子模块的电容电压V_ci与电容电压额定值U_ref的关系； 若V_ci<U_ref,则进行步骤3；若V_ci>=U_ref,则进行步骤4;

步骤3）：将闭锁子模块的载波T_cb赋值给第i个子模块的载波T_ci；

步骤4）：判断是否完成移相后的载波的分配，若j<=N，说明移相后的载波 未分配完，则进行步骤5；若j>N，说明移相后的载波已经分配完，则进行步骤 3；

步骤5）：将第j个相移后的载波T_cpsj赋值给第i个子模块的载波T_ci，然后 将移相后的载波编号j+1，处理下一个移相后的载波；进行步骤6；

步骤6）：判断是否完成所有子模块的载波分配，若i>=N+M，则得到所有 N+M个的子模块的载波；若i<N+M，则将子模块的编号i+1，返回步骤1，继 续分配下一个子模块的载波。

参考图4，为了直观描述载波的再分配过程，本发明以7电平且每个桥臂有 1个冗余的MMC为例(N=6且M=1)，如图4（a）所示，其中1、2、3、4、5、 6为正常运行状态的子模块，7为冗余备用子模块（带阴影的表示子模块旁路开 关闭合）。

1）故障前：系统没有发生子模块故障时，各子模块对应的载波分配如图4(a) 所示，即正常子模块的载波为相移后的载波T_cps，旁路开关均打开；冗余子模块 的载波为T_cb，旁路开关均闭合；

2）故障时：当第3个子模块发生故障时，各子模块对应的载波分配如图4(b) 所示。此时，闭合故障子模块3的旁路开关，子模块3退出运行，电容电压放 电为0。其载波为由原来的T_cps3变成T_cb，IGBT均处于闭锁状态，以便检修。同 时，打开冗余子模块7的旁路开关，冗余子模块7投入运行，其载波保持原来 的T_cb不变，该冗余子模块的电容电压继续充电。

3）故障后：当冗余子模块7的电容电压接近电容电压的额定值时，对应的 载波分配如图4(c)所示。此时，所有投入运行的子模块通过载波分配器动态为每 个子模块分配相移后的载波T_cps。

由图4的（a）、（b）、（c）三个载波的分配过程可知，当用冗余子模块7替 换故障的子模块3时，有些（甚至可能全部）子模块的载波发生变化（如第4 个子模块的载波由原来的载波T_cps4变成了载波T_cps3，等等）。尽管该时刻子模块 的运行状态会随着载波的突变而发生变化，但这并不会对桥臂的输出电压产生 明显扰动。这是因为投入运行状态的子模块的总个数仍然为N，且系统电压是 由这N个子模块电容电压叠加而成。同时由于电容均压控制与环流抑制控制策 略的作用，使得在子模块载波发生改变时，系统的电压和电流等电气量并不会 随着每个子模块载波的变化而产生明显的变化。

无论冗余子模块是第几个，或者同时有几个子模块发生故障（在冗余模块 个数足够情况下）都可以按照本发明所设计的载波动态分配器进行载波分配。

在步骤3所设计的载波动态分配器的基础上，充分考虑冗余子模块投入对 电容均压和环流抑制控制的影响，并设计相应的带有冗余保护功能的触发器， 由于上下桥臂和三相的对称性，本发明以A相上桥臂为例，设计相应的带有冗 余保护功能的触发器，实现流程见图6。

M_uai是第i个子模块的调制波，都是由共同的基础调制波叠加上由对应子模 块的电容均压控制值和环流抑制控制值组成的；对于冗余模块的均压和环流抑 制控制，需要先判断是否该冗余模块的载波为移相之后的载波，若是，则按照 正常子模块的调制波组成方式，计算该模块的调制波，否则，不需要进行这一 步计算，

构成M_uai的三个部分说明：

1）U_ua：是由dq解耦控制得到的A相上桥臂每个子模块的共同基本正弦调 制波，由下式计算得到：

$U_{\mathrm{ua}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2N}-\frac{u_{\mathrm{ra}}}{N}---\left(3\right)$

其中，U_dc是直流侧电压，u_ra是换流器阀侧A相交流电压经过dq解耦控制得到 的电压值。

2）U_cira：是A相的环流抑制控制量，由图7的环流抑制控制器得到；

以A相上桥臂子模块为例，可以通过在基本调制波U_ua上，叠加附图7所 示的环流抑制控制器所得到的环流抑制控制值U_cira实现。具体实现过程为：将 A相上下桥臂全部子模块电容电压的平均值U_cava与参考量U_cref比较后通过PI 控制器产生环流整定值，再与i_cira比较后经过PI控制器产生环流抑制策略控制 器输出值U_cira；

由于MMC在稳态运行时各桥臂间的电压不可能完全一致，从而导致同相 上下桥臂电压不对称，会在MMC的三相桥臂间产生环流，从而使正弦的桥臂 电流波形发生畸变。产生环流i_cira的大小为：

$i_{\mathrm{cira}}=\frac{1}{2}(i_{\mathrm{ua}}+i_{\mathrm{la}})---\left(4\right)$

其中，i_ua与i_la分别指A相上桥臂与下桥臂电流。

其中，由于每个桥臂有冗余子模块的存在，环流抑制控制器中的子模块电 容电压的平均值U_cava采用由下式计算得到，

$U_{\mathrm{cava}}=\underset{j=1}{\overset{j=N+M}{\Sigma }}{K}_j·U_{\mathrm{caj}}---\left(5\right)$

其中，U_caj是第j个子模块的电容电压，K_j是第j个子模块的旁路开关状态。

3）U_vbai：是第i个子模块的电容均压控制量，由图8的电容均压控制器得 到；

以A相上桥臂子模块为例，可以通过在基本调制波U_ua上，叠加附图8所 示的电容均压控制器所得到的第j个子模块的均压控制值U_vbaj实现。具体实现 过程为：将A相第j个子模块的电容电压U_caj与参考值U_cref比较，经过比例环 节，再通过桥臂电流方向来判断输出值的正负，最后得到A相第j个子模块的 均压控制值U_vbaj。

如下式可知，由上桥臂第j个子模块基本调制波U_ua上叠加环流抑制控制量 U_cira和电容均压控制量U_vbai，得到上桥臂第j个子模块的调制波M_uaj：

M_uaj＝U_uaj+U_cira+U_vbaj

参见图6带有冗余保护的触发器实现流程具体如下：

在流程图中，F_p1i对应第i个子模块的上IGBT的触发脉冲，F_p2i是对应子 模块下IGBT的触发脉冲。

步骤1）：先判断第i个子模块的载波T_ci是否为闭锁子模块的载波T_cb；若 T_ci=T_cb，则进行步骤2；若T_ci≠T_cb，则进行步骤3；

步骤2）：第i个子模块上、下IGBT的触发电平F_p1i与F_p2i均赋值为0，即 子模块处于闭锁状态，进行步骤7；

步骤3）：将第i个子模块的电容均压控制值U_vbai和环流抑制控制值U_cira， 叠加至基础调制波U_ua，得到第i个子模块的带有电容均压和环流抑制控制的调 制波M_uai，进行步骤4；

步骤4）：判断第i个子模块的调制波M_uai与第i个子模块的调制波T_ci的大 小，若M_uai>T_ci，则进行步骤5；若M_uai<=T_ci；则进行步骤6；

步骤5）：第i个子模块上、下IGBT的触发电平F_p1i=1且F_p2i=0为0，即子 模块处于投入状态；

步骤6）：第i个子模块上、下IGBT的触发电平F_p1i=0且F_p2i=1为0，即子 模块处于旁路状态；

步骤7）：判断触发器是否完成所有子模块IGBT的触发电平的产生，若 i>=N+M，则产生所有N+M个的子模块上、下IGBT的触发电平；若i<N+M， 则将子模块的编号i+1，返回步骤1，继续产生下一个子模块的触发电平；

下面就本发明提出的基于载波移相调制的MMC冗余保护策略的功能和效 果，对仿真实例进行详细说明，验证本文所提出的带有MMC子模块冗余保护功 能的载波动态分配器和触发器的有效性。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性 的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

首先，在PSCAD/EMTDC中搭建7电平双端MMC直流输电系统仿真模型， 其中MMC的每个桥臂有6个正常运行的子模块SM1～SM6和1个冗余备用子模 块SM7。并设置本仿真模型的系统参数，如表2所示：

表2仿真系统参数

然后，本发明仿真算例采用载波移相调制方法，载波频率为200Hz，整流 侧采用定有功功率和定无功功率控制，控制参考值分别为10MW和3Mvar。逆 变侧采用定无功功率和定直流电压控制，控制参考值分别为5Mvar和20kV。

（1）预充电启动策略：

采用对冗余模块预充电的启动方式，每相上桥臂7个子模块（包括冗余备 用子模块）的电容充电电压最大值应为：

当子模块的电容电压值达到2.02kV时，进入控制启动阶段，触发器投入运 行。启动阶段A相上桥臂子模块的电容电压如图9所示，其中Vc1～Vc7表示桥 臂上的7个子模块电容电压。

假设系统在1.5s时整流侧A相上桥臂第2个子模块发生故障，此时故障子 模块被旁路，冗余备用子模块投入运行。经过一个调整过程后，系统进入稳定 运行状态，如图10所示。

1.5s时，第2个子模块发生故障被旁路，冗余子模块7投入运行。子模块7 经过0.073s达到额定电容电压值附近。

如果冗余模块采用不充电方式启动，则在子模块2发生故障被旁路时，冗 余子模块7要经过0.13s到达额定电容电压值，如图11所示。

（2）载波的动态分配过程：

故障前后各子模块的载波的变化见图12。如图12（a）当第2个子模块发 生故障时，除了第1个子模块的载波没有变化外，其他子模块的载波均发生了 变化。如图12（b）子模块7的载波在故障的时刻保持值为T_cb，经过0.073s后， 子模块7的电容电压达到额定值，对应的载波切换成移相后的载波。

（3）对系统的扰动分析：

尽管对于每个子模块，载波发生了突变，但系统桥臂电流I_u、直流电压U_dc、 子模块输出电压V_smau以及整流站的有功功率P₁和无功功率Q1的变化平稳，如 图13所示，在载波改变时对系统的扰动不明显。

以上实验，充分验证了在故障发生时，采用本发明提出的基于载波移相调 制方法的MMC子模块冗余保护策略，能够使冗余模块平稳替代故障模块投入 运行，证明本文提出的冗余保护策略是可行有效的。此外，采用本发明的预充 电启动方案，能够有效减小在冗余备用子模块投入运行时产生的电压暂降，减 少冗余模块充电到额定电压的时间；而且所设计的载波动态分配器可以很好的 处理载波移相调制策略中冗余子模块投运时的载波分配问题，而且该策略不会 对系统产生明显的扰动，具有通用性，易于实现。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应该以权利要求的保护范围为准。