模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)因具有公共直流接口、模块化设计结构等特点,已逐步替代传统二极管钳位型、飞跨电容型以及级联H桥型变换器成为现阶段主流的多电平变换器,并广泛应用于高压直流输电、统一潮流控制器、配电网电力电子变压器等高压大功率场合,为智能电网的建设和发展提供了先进的装备支持。因此,关于MMC的相关研究具有重要的理论和现实意义,将对未来电网智能化发展产生深远影响。论文在深入分析MMC的拓扑结构特性的基础上,着重对其数学模型、调制策略、控制策略及控制参数设计展开深入研究,并对相关技术进行合理优化,旨在提高MMC的运行特性。具体研究内容及创新性成果如下:(1)构建了 PSC-PWM型分布式调制下MMC的新型等效平均模型。该模型将MMC的电网侧和直流侧同时分解成了共模和差模电路,各电路都由两个相互独立的受控源构成,为分析各电路电气量特性、指导调制及控制器设计提供了理论依据。(2)提出了一种针对PSC-PWM型分布式调制下MMC的宽频带低频环流抑制方法。基于建立的低频等效平均模型,利用子模块直流电压前馈方式将共模电路中的受控源始终控制为一个直流电压,从源头上防止了低频环流分量的产生。该方法具有控制目标范围广、无需调节参数、动态响应速度快等优点,更适用于电机驱动等变频系统或有源滤波器等多频系统。同时,与传统上、下桥臂电压独立前馈的方式相比,该方法利用了差模电流的自动调节能力,与谐振型方法一样维持了 MMC的电容电压自然平衡特性,无需额外的主动电压平衡算法。(3)提出了一种集中式调制下MMC的紧凑状态机型通用脉冲分配器,详述了其设计和实现方法。该脉冲分配器使得电平化后的调制信号遍历状态机中的所有路径,从而各模块的开关次数在各个电平等级都能得到均匀的分配,实现了子模块电容电压的自然平衡特性。该方法无需额外的电压排序等主动平衡算法,无需子模块直流电压传感器,大大简化了硬件设计。同时,该状态机具有状态强制切换功能,在最大限度维持子模块开关频率低频特性的条件下,使低频类调制策略能够在合理的时间范围内遍历状态机,达到自动平衡电容电压的目的。(4)提出了一种针对PD-PWM型集中式调制下MMC的环流优化控制方法。该方法通过对状态机进行优化设计,利用环流在偏移过程中的强制反相能力,使环流中的直流分量始终保持恒定,有效解决了该调制算法固有的环流漂移问题,实现了直流环流的优化,更利于磁元件的设计。同时,该方法在相应电平带过渡时仅额外增加两次开关动作,对子模块的等效开关频率影响较小。另外,在该调制方式下针对无源器件参数值较小时主要存在的低频环流问题,提出了基于反馈环流控制的低频环流优化方法,在对子模块电容电压平衡影响不大的条件下合理限制了环流中的低频分量。(5)通过对比PSC-PWM型分布式调制策略和APOD-PWM型集中式调制策略,指出了系统延时是制约闭环控制系统带宽的关键因素,并给出了控制参数优化设计方法。分析指出,将PSC-PWM策略应用于MMC时,虽然交流总输出的等效开关频率得到了提高,但因其分布式的设计方式导致了所有子模块无法同时响应电流的变化,系统通讯延时仍然受各子模块的开关频率所制约,在子模块开关频率较低时电流控制特性较差。APOD-PWM策略因集中式的设计方式,在每个控制周期所有子模块都能够同时响应电流的变化,其通讯延时仅由交流总输出(电平化调制信号)的等效开关频率决定,因此该方法具有更小的系统延时,更有利于闭环控制系统设计,和PSC-PWM策略相比更适用于较低开关频率场合。最后,针对以上所述内容分别进行了相应的仿真和实验研究,仿真和实验结果证实了本文提出的MMC若干优化调制及控制策略的正确性和有效性。