随着我国能源科技的持续发展,交直流电网的建设逐渐成为未来电网发展的重要一环,基于电压源型变换器(Voltage Source Converter,VSC)的电力变换装置逐渐成为交直流网络互联的关键设备。其中,由于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有建设难度低、转换效率高、波形质量好及故障处理能力强等诸多优点,成为了未来具有良好前景的变换器拓扑。MMC拓扑中各相单元中包含大量的子模块电容,为保证换流器安全正常工作,需要对电容中所储能量进行有效控制。因此,在换流器进入稳态工作之前和退出运行之后,须采用合适的启动和停机方式对这些电容进行充放电。换流器的启动和停机是复杂的暂态过程,合理的控制方式对提高启动速度、增强稳定性、抑制过电流至关重要。本文就MMC的启停过程分析、充电等效电路以及开闭环充电控制策略等方面开展研究:(1)基于半桥型MMC拓扑,分析了现有文献中广泛采用的两阶段启动和停机操作并提出了改进的启停控制策略。根据不同单元的能量流动关系建立了多层次的电容电压动态均衡控制,并充分考虑充放电功率对交流电网的影响,提出了基于直流侧开路的电路拓扑的恒定功率交流侧闭环启停控制策略。利用MATLAB和PSCAD仿真平台搭建启停仿真模型并进行测试,证实该方法能在子模块快速充放电的同时保证MMC与交流电网的功率稳定交换,验证了所提闭环控制策略的正确性。(2)为避免基于旁路限流电阻的复杂闭环控制对控制系统安全性的影响,构建保留限流电阻的子模块充电等效模型。首先,针对高电压等级的MMC,由于各桥臂包含众多子模块,实时排序和电压均衡的控制系统在线计算量较为复杂,并考虑子模块电压差异并不影响启动阶段的完成,提出一种适用于子模块数较多的MMC的Boost型预充电策略。然后利用电感电流无法突变的特点,规律性地旁路和闭锁子模块可以实现子模块同时充电的效果,并且分析了载波频率和占空比对充电效率的影响和对应控制参数整定的方法。其次,针对子模块数目较少的中低压MMC,本文提出了改进调制型的通用开环预充电策略。同时考虑换流器不同的充电方向,建立桥臂等效模型代替不同子模块的开关操作,推导出对应最大充电效率的最优开关函数。最后构建适应于电容电压变化剧烈的改进型载波移相调制及电容排序方法,实现MMC安全高效的预充电控制。在仿真平台中建立MMC充电模型,仿真结果验证的所提策略的有效性和安全性。(3)根据理论推导与分析,在实验室条件下搭建小型化的MMC原型机。首先详细介绍了实物平台建设的具体实现过程,主要包括硬件电路及参数设计和软件控制程序及信号逻辑处理。然后,针对本文提出的两种开环预充电控制策略在硬件平台上也进行了相应的测试,在限流电阻限制充电电流大小的同时保证了子模块电容充电的高效率。最终,所得实物波形与仿真结果相吻合,预充电实验结果验证所提方法的安全性和有效性。