Passive Consensus-based Fault-tolerant Control Method for Modular Multilevel Converters under Asymmetric Arm Conditions

XUE Hua; GAN Xuwei; SHEN Mengyuan; WANG Yufei; WANG Yani

doi:10.20204/j.sp.2026.02009

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Passive Consensus-based Fault-tolerant Control Method for Modular Multilevel Converters under Asymmetric Arm Conditions

更新时间：2026-02-28

- Passive Consensus-based Fault-tolerant Control Method for Modular Multilevel Converters under Asymmetric Arm Conditions
- Vol. 54, Issue 2, Pages: 69-79(2026)
- 作者机构：
  
  （上海电力大学电气工程学院，）,上海,200090
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.20204/j.sp.2026.02009
  CLC：
- Published：2026
- 稿件说明：
移动端阅览
薛花,甘旭炜,沈梦媛,王育飞,王雅妮.桥臂不对称工况下模块化多电平变换器无源一致性容错控制方法[J].智慧电力,2026,54(2):69-79.

doi:10.20204/j.sp.2026.02009
薛花,甘旭炜,沈梦媛,王育飞,王雅妮.桥臂不对称工况下模块化多电平变换器无源一致性容错控制方法[J].智慧电力,2026,54(2):69-79. DOI： 10.20204/j.sp.2026.02009.

doi:10.20204/j.sp.2026.02009 DOI：

摘要

子模块故障和桥臂参数摄动会引起模块化多电平变换器（MMC）运行于不对称状态，进而影响系统稳定性，而传统矢量控制方法存在稳定域有限的问题。为此，提出一种适用于桥臂不对称情形的无源一致性容错控制方法。首先，在交流子系统中，通过解析桥臂能量差值与环流交流分量之间的映射关系，计算出环流基频与二倍频的期望轨迹；其次，在直流子系统中，解析相间能量差值与直流电流映射关系，求得环流直流分量期望轨迹；最后，将相邻相状态变量跟踪一致性误差引入无源性控制器，实现MMC状态变量期望轨迹快速同步跟踪，确保闭环系统全局渐近稳定。实验结果表明，在MMC单桥臂25%子模块故障与桥臂参数摄动条件下，所提方法仍可实现并网电流对称，并维持各相水平与垂直能量分布均衡。该研究可为MMC的优化设计提供参考。

Abstract

Submodule faults and arm parameter perturbations can cause modular multilevel converters （MMCs） to operate under asymmetric conditions

thereby affecting system stability. Traditional vector control methods suffer from a limited stability region. To address this

a passive consensus-based fault-tolerant control method suitable for asymmetric arm conditions is proposed. Firstly

in the AC subsystem

the expected trajectories for the fundamental and double-frequency circulating current components are derived by analyzing the mapping relationship between arm energy differences and AC components of the circulating current. Secondly

in the DC subsystem

the expected trajectory for the DC component of the circulating current is obtained by analyzing the mapping between inter-phase energy differences and the DC current. Finally

the consensus tracking errors of state variables between adjacent phases are incorporated into the passivity-based controller to achieve rapid and synchronized tracking of the MMC's expected state variable trajectories

ensuring the global asymptotic stability of the closed-loop system. Experimental results show that even under conditions of a 25% submodule fault in a single MMC arm and arm parameter perturbations

the proposed method can still maintain symmetrical grid-connected currents and balanced horizontal and vertical energy distribution across phases. This research can serve as a reference for the optimal design of MMCs.

关键词

Keywords

references

岳雨霏，何路航，王李邦，等. 三相MMC不平衡环流注入控制 [J ] .电力科学与技术学报，2025，40（2）：1673-9140.

王智博，田野，朱义东. 新型旁路型MMC子模块及其直流故障穿越策略 [J ] .电力科学与技术学报，2025，40（2）：255-264.

程鹏，任倩，盛诗雯，等. 电磁式互感器二次电缆引起MMC孤岛系统高频谐振机理研究 [J ] .电力系统保护与控制，2025，53（19）：89-100.

梁少辉，陈俊儒，陈永平，等. 构网型MMC-SVG控制方案的设计 [J ] .智慧电力，2025，53（4）：53-61.

黄耀宣，程杉，黄永章，等. 基于改进粒子群算法的MMC-STATCOM参数仿射辨识方法 [J ] .电力系统保护与控制，2025，53（9）：176-187.

陈怡静，李春华，李英彪，等. 双闭环VF控制MMC输出短路电流特性分析与计算方法 [J ] .电力建设，2024，45（10）：90-99.

方朝雄，唐雨晨，林毅，等. 构网型MMC低电压故障内电势重构穿越控制策略 [J ] .电力建设，2025，46（4）：29-37.

JIN Y，XIAO Q，POU J，et al. A novel fault-tolerant operation approach for the modular multilevel converter-based STATCOM with the enhanced operation capability [J ] .IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2022，10（5）：5541-5552.

徐常天，杨兴武，刘海波，等. 不平衡工况下MMC桥臂能量平衡的模型预测控制 [J ] .电力建设，2024，45（3）：78-86.

XIAO Q，JIN Y，JIA H J，et al. Review of fault diagnosis and fault-tolerant control methods of the modular multilevel converter under submodule failure [J ] .IEEE Transactions on Power Electronics，2023，38（10）：12059-12077.

FARIAS J V M，CUPERTINO A F，PEREIRA H A，et al. On converter fault tolerance in MMC-HVDC systems：A comprehensive survey [J ] .IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2021，9（6）：7459-7470.

王振，郑润民，肖凯，等. 阀塔寄生参数和子模块等效阻抗对预充电MMC均压特性的影响 [J ] .高压电器，2025，61（8）：176-185.

DENG F J，TIAN Y J，ZHU R W，et al. Fault-tolerant approach for modular multilevel converters under submodule faults [J ] .IEEE Transactions on Industrial Electronics，2016，63（11）：7253-7263.

孙孔明，李宽，冯忆文，等. 面向MMC-HVDC换流站的构网型和跟网型控制无缝切换技术 [J ] .山东电力技术，2025，52（7）：44-53.

李明，赵峥，滕尚甫，等. 半桥型MMC直流侧故障限流设备设计研究 [J ] .电网与清洁能源，2025，41（3）：18-26.

娄彦涛，刘琦，徐海博，等. 基于IGCT的MMC子模块箝位电路损耗计算方法 [J ] .高压电器，2025，61（7）：197-202.

翟佳榆，周建萍，陈亮华，等. 非理想条件下混合型MMC连续控制集模型预测控制方法 [J ] .智慧电力，2025，53（8）：88-94.

ZHANG H B，BELH AOUANE M M，COLAS F，et al. On comprehensive description and analysis of MMC control design：Simulation and experimental study [J ] .IEEE Transactions on Power Delivery，2021，36（1）：244-253.

阚鹏，郑华俊，袁旭峰，等. 不同模型对MMC-HVDC系统大信号稳定性分析准确性影响的对比研究 [J ] .智慧电力，2024，52（5）：105-113.

胡宏，许凌，张梦瑶，等. 海上风电柔性直流送出系统控制耦合作用及差动保护适应性分析 [J ] .电力建设，2025，46（3）：166-176.

CISNEROS R，PIRRO M，BERGNA G，et al. Global tracking passivity-based PI control of bilinear systems：Application to the interleaved boost and modular multilevel converters [J ] .Control Engineering Practice，2015，43：109-119.

AVDIAJ E，D'ARCO S，PIEGARI L，et al. Frequency-adaptive energy control for grid-forming MMCs under unbalanced conditions [J ] .IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Indust rial Electronics，2023，4（4）：1124-1137.

REDDY G A，SHUKLA A. Circulating current optimization control of MMC [J ] .IEEE Transactions on Industrial Electronics，2021，68（4）：2798-2811.

陈志军，王骏，郁超，等. 低载波比调制下的MMC-UPFC电容电压减频效应 [J ] .电网与清洁能源，2024，40（10）：93-104.

TAO G. A simple alternative to the Barbalat lemma [J ] .IEEE Transactions on Automatic Control，1997，42（5）：698.

薛花，潘哲晓，王育飞，等. 基于端口受控耗散哈密顿系统模型的模块化多电平变换器无源反步环流抑制方法 [J ] .电工技术学报，2020，35（12）：2596-2611.

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Modeling and Control of Aggregated Thermostatically Controlled Loads for Smoothing Power Fluctuation of Renewable Energy Sources

MMC Circulating Current Suppression Based on Additional Level MPC and Sub-module Dual Voltage Balancing Control

Modal truncation method to vibration analysis of the stator of ultrasonic motor

Development of a New High Integration Drive Modular for Scanning Mirror

A new cross-hexagon search algorithm for fast block-matching motion estimation

Related Author

YU Yang

XIE Renjie

LU Jianbin

MI Zengqiang

JIA Yulong

FAN Hui

ZHAO Wei

YUAN Zhi

Related Institution

（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources （North China Electric Power University）

State Grid Hebei Electric Power Co.， Ltd.

（Engineering Research Center of Renewable Energy Generation and Grid-connected Control，Ministry of Education，Xinjiang University，，）

AI问答

⁰