模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)具有高度模块化、扩展性强、输出特性好、容错能力优等多重优势,在柔性直流输电领域得到了高度关注与广泛应用。目前,对MMC正常运行及故障应对的研究已取得了一定的进展,但对其正常及故障下的运行优化研究尚不够深入。故本文以《模块化多电平变流器运行优化研究》为题,围绕优化策略的基本原理、数学模型、优化分析、实现方法、仿真实验验证,针对网压平衡及网压不平衡两种工况,进行了如下的研究:(1)介绍了 MMC的基本原理与控制方式,建立了网压不平衡下MMC的数学模型,给出了 MMC输出电流、桥臂环流、桥臂电流、模块电压波动的表达方程。分析了网压不平衡下MMC的三种控制目标:有功平衡、电流平衡、无功平衡,结合MMC数学模型,分析了不同控制目标对MMC输出及内部特性的影响。设计了基于正负序分离器与静止坐标系下比例谐振控制器(proportional resonance controller,PR)的MMC网压不平衡控制系统,并通过仿真与实验验证了网压不平衡分析的正确性与控制系统的有效性:实现了网压不平衡下有功平衡、电流平衡、无功平衡三种目标。(2)对MMC的环流注入优化策略进行了研究。分析了环流注入策略的基本原理,建立了网压不平衡下MMC环流注入的数学模型,给出了环流注入后MMC桥臂电流与模块电压的表达式。以数学模型为基础,综合分析了环流注入对MMC桥臂电流峰值、桥臂电流有效值、模块电压波动的影响,并运用三维图分析与函数拟合的方式给出了降低桥臂电流峰值、降低模块电压波动的注入环流参考值,并设计了基于PR控制器与二阶广义积分器的MMC环流注入控制系统。利用仿真与实验平台对环流注入策略进行了验证,实现了网压不平衡不同控制目标下,环流注入降低桥臂电流峰值、降低模块电压波动的效果。(3)对MMC断续调制策略进行了研究。阐述了断续调制策略的基本原理,提出了一种应用于MMC的断续调制实现方法,并利用断续调制下MMC调制波的分段特性,建立了基于分段函数的MMC断续调制数学模型。以MMC策略及其数学模型为基础,分析了断续调制策略对MMC开关损耗、导通损耗、器件损耗、子模块各元件损耗、子模块损耗分布以及模块电压波动的影响。并在仿真与实验中实现了较高功率因数下,断续调制降低模块电压波动、降低MMC损耗、优化子模块损耗分布的效果。(4)对断续调制下MMC的环流注入方法进行了研究。以MMC断续调制数学模型与环流注入模型为基础,得到了断续条件下环流注入对MMC开关损耗、导通损耗、器件损耗、子模块损耗分布以及模块电压波动的影响,并运用三维图分析与函数拟合的方式,得到了断续调制下环流注入降损耗模式与降模块电压波动模式的注入环流参考值。利用仿真与实验对断续条件下的环流注入策略进行了验证:实现了断续调制下环流注入降低MMC损耗、优化子模块损耗分布、降低模块电压波动的效果。(5)对MMC直流侧虚拟阻抗策略进行了研究。设计了 MMC直流侧电感电阻并联型虚拟阻抗,分析了虚拟阻抗的基本原理,运用波特图分析的方式确定了虚拟阻抗参数的大小,设计了虚拟阻抗在MMC中的实现方法。并通过仿真与实验验证了虚拟阻抗控制的有效性:实现了降低MMC直流侧波动的目标。