模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter,MMC）具有模块化、易拓展的结构特点以及低谐波输出特性,在高压变频领域颇具应用前景。由于MMC子模块电容是独立悬浮的,当电流流过时会造成电容电压的波动,且该波动幅值近似与MMC的输出电流成正比,与输出频率成反比。MMC在驱动大转矩负载低频运行时将面临极为严重的电容电压波动问题。现有的MMC低频运行方案大多采用高频注入法,通过在MMC的交流侧和桥臂中分别注入高频共模电压和环流,实现电容电压波动的抑制。但交流侧注入的共模电压会对电机带来严重的绝缘与轴电流问题,甚至会损坏电机轴承,降低电机的使用寿命。为解决以上问题,本文提出一种将晶闸管与MMC进行组合的混合型模块化多电平换流器拓扑（Hybrid MMC,H-MMC）,并对其运行原理和控制方法进行介绍。在此基础上,从降低电容容量、减少功率损耗和拓展四象限应用等方面对H-MMC进一步研究。论文具体内容如下:本文提出将晶闸管作为直流开关串联在MMC直流母线上,构成混合型模块化多电平换流器拓扑（H-MMC）,通过降低直流电压的方式减小桥臂的吸收能量,实现电容电压波动的抑制,并避免了共模电压问题。为确保晶闸管的可靠开通和关断,对晶闸管的开关过程进行分析,设计了直流电流与直流电压波形的时序关系。在此基础上,提出了H-MMC的控制方法,利用直流电流的测量值和直流电压的参考值对晶闸管的开关状态进行识别,能够在晶闸管关断失败或误导通时实现容错运行,避免过流问题。此外,本文推导了H-MMC电容电压的表达式,其相比传统MMC可显著减小低频运行时的电容电压波动。最后搭建了7.5k W H-MMC变频驱动实验平台,验证了所提拓扑及其控制方法。尽管H-MMC能够有效抑制低频运行下的电容电压波动,但相较额定频率,电容电压波动依旧较大。对此,本文进一步提出一种H-MMC降电容电压运行方式,通过在低频运行时降低子模块电容电压的直流分量,使子模块电容在不超过电压限幅的前提下允许更大的电容电压波动,减少所需的HMMC电容容量。通过建立子模块电容电压直流分量、电容电压波动与运行频率的数学关系,得到了电容电压直流分量的选取依据。为避免子模块在降电容电压运行时出现过调制,分析了电容电压波动的限制范围,并以此设计了H-MMC电容容量。以上研究结果均通过仿真和实验进行了验证。为降低H-MMC的开关损耗,本文提出令少数子模块采用SiC-MOSFET器件并工作在高开关频率,多数子模块采用Si-IGBT器件并工作在低开关频率,结合Si C-MOSFET低开关损耗和Si-IGBT低导通损耗的优势,提升HMMC的效率。首先分析了子模块组合式H-MMC的工作原理,指出Si C子模块面临的电容电压不平衡问题,提出通过调整Si C子模块参与PWM的工作时间,实现电容电压的平衡。此外,本文进一步提出了子模块N+1冗余情况下的工作方式与平衡方法,指出其在低频运行时具有更低的损耗,并利用PLECS进行了验证。仿真和实验结果验证了所提子模块组合式H-MMC及平衡方法的有效性。本文最后将H-MMC进一步拓展为背靠背结构,实现功率的双向传递,以满足高压大功率四象限变频应用。针对背靠背H-MMC存在直流电流控制冲突的问题,通过建立直流回路等效电路及数学模型,指出网侧MMC环流与直流电流间存在控制耦合。在此基础上,提出了网侧MMC环流解耦控制,分别给出了环流控制器中直流、基频以及偶次谐波分量指令的设计方法,并利用数字控制器的离散化特点,保证三相环流控制器输出共模分量为零,避免对直流电流产生影响。仿真和实验结果表明,所提方法能够有效解决直流电流控制冲突问题,保证电机在四象限工况下的平稳运行。