电力电子变换技术的飞速发展使得高压大容量功率变换系统的需求与日俱增。多电平变换器突破了单个功率器件和功率模块的容量限制,成为高压大功率变换领域的最优工程方案之一。模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)克服了传统多电平变换器的缺陷,是最具前景的高压大容量功率变换拓扑。研究模块化多电平功率变换的不同拓扑在不同应用领域的运行机理和控制方法,不仅能保障模块化多电平变换器自身的安全可靠运行,还能直接提升以模块化多电平变换器为核心的功率变换系统的效率和稳定性,对于实现高效率、高可靠、高稳定、高精度的电能绿色变换技术具有极为重要的理论研究价值和现实意义。本文在国家重点研发计划子项—高效能量传递与转换关键技术与装备[YS2016YFGX050058]和湖南省研究生科研创新项目—模块化多电平结构铁路功率调节器关键技术研究[CX2016B127]资助下,得到国家电能变换与控制工程技术研究中心的支持,围绕模块化多电平功率变换的环流抑制、功率波动、能量平衡、电流控制以及功率调节工程应用等内容进行研究,主要工作和创新点体现在以下五个方面:(1)提出了半桥MMC的通用环流模型与综合抑制方法,解决了MMC阻尼特性差、电流应力高和运行效率低的难题。利用直接调制方法建立了 MMC桥臂电容电压和与环流的暂态数学模型,揭示了无环流控制时半桥MMC的弱阻尼特性。分析了异常工况下的低频振荡现象及产生原因,推导了低频振荡频率的影响因素。定量分析了二倍频环流的幅值与相位,解析了二倍频环流的谐振机理。在此基础上,建立了包含低频振荡环流和二倍频环流的通用环流模型,提出了功率前馈有源阻尼环流抑制方法,给出了有源阻尼参数的选取原则。仿真与实验结果表明所提出的通用环流模型能准确描述半桥MMC内部的低频振荡与二倍频环流,综合环流抑制方法可以有效抑制暂态低频振荡与稳态二倍频环流,显著增强系统稳定性,提升功率变换效率。(2)提出了半桥MMC的统一低频控制方法,为半桥MMC电机驱动全频率范围运行提供新的方法参考。通过增加谐振滤波电路改变了半桥MMC的相阻抗特性,分析了谐振滤波电路引入的相阻抗并联谐振与串联谐振现象。合理设计了谐振滤波参数,实现MMC额定频率运行时二倍频环流抑制和低频运行时环流控制电压最低。分析了控制相间环流以抑制低频功率波动的可行性,并发现了高频环流的多解特点。结合谐振滤波电路的串联谐振特性,提出了单频率环流注入方法及其PIR无差控制方法,并对控制器参数进行了设计。仿真与实验结果表明所提出的半桥MMC低频控制方法可以有效增加共模电压的调制比范围,准确抵消剧烈波动的无功功率,抑制模块电容电压的低频波动并维持其稳定,保证MMC低频运行的可靠性。(3)提出了全桥MMC单相系统的电压平衡分层控制方法,解析了全桥MMC交交变换功率平衡的运行机理。分析了单相全桥MMC的拓扑结构特点,建立全桥MMC的综合电路模型以及交直流解耦模型。分析了单相全桥MMC功率变换时的桥臂能量平衡状态,揭示了无功功率补偿对桥臂功率平衡的影响。分析了控制全桥MMC内部环流实现桥臂之间功率重新分配和桥臂能量再平衡的可行性。在此基础上,提出了以电容电压平衡为目标的分层控制策略,实现系统层面、桥臂组间、桥臂组内的多层次模块电容电压平衡。阐明了全桥MMC的桥臂电感、模块电容以及分层控制器的设计原则,对系统稳定性分析与设计提供了重要参考。仿真与实验结果表明所提出的电压平衡分层控制方法实现了全桥MMC电容电压平衡控制的解耦,使得分层控制参数能独立选取,有利于简化整个控制系统的设计,提高系统的综合稳定性能。(4)提出了全桥MMC三相系统的直接功率鲁棒电流控制方法,突破了传统控制策略对动态响应速度和跟踪精度的限制。分析了三相全桥MMC的等效电路模型及其输入电流三相三线制和环流三相四线制系统特征。根据瞬时无功功率理论,建立了三相全桥MMC的输入电流、输出电流和环流控制在αβ0坐标系下的离散数学模型。提出了参数自校正鲁棒无差拍控制方法,有效抑制参数摄动对电流控制的影响。在此基础上,分析了三相全桥MMC的桥臂能量平衡机理,提出了桥臂能量的直接功率控制方法,推导了αβ0坐标系下实现平均能量、水平方向能量、垂直方向能量的环流指令。仿真与实验结果表明所提出的直接功率鲁棒电流控制方法无需锁相环,控制变量之间不存在交互耦合,在保证全桥MMC的可靠性和动态响应速度的同时,显著提高了电流的控制精度,增强了控制系统的鲁棒性。(5)总结了半桥MMC和全桥MMC之间的内在差异,阐述了模块化多电平功率变换技术间的相互关系。研究了三相半桥MMC和两相全桥MMC在V/V和SCOTT牵引供电系统的功率调节机理,建立了两者的等效电路与数学模型。定量分析与对比了半桥MMC和全桥MMC的功率开关电压与电流应力、功率器件与电容数目需求。通过损耗曲线拟合、英飞凌损耗计算以及PSIM热损耗仿真三种方法,对三相半桥MMC和两相全桥MMC在功率损耗的差异进行了数值和仿真对比分析。结果表明三相半桥MMC在V/V牵引供电系统中性能较好,而两相全桥MMC在SCOTT牵引供电系统中优势显著。所提出的数值和仿真分析方法是对模块化多电平变换器工程应用的功能性和适用性的初步探索,在一定程度上丰富和发展了高压大功率模块化多电平功率变换的工程技术研究内容。本文以高压大功率领域模块化多电平功率变换的关键科学技术难题为研究背景,从半桥MMC在直流输电领域的环流抑制和电机驱动领域的低频功率抑制、全桥MMC在潮流控制领域的电压平衡控制和特种电源领域的鲁棒电流控制、半桥MMC和全桥MMC的功率变换工程应用对比等多个方面,深入研究了模块化多电平功率变换拓扑和控制的相关理论和方法。研究内容涵盖了模块化多电平功率变换拓扑的工作机理、系统模型、控制方法、参数设计以及工程应用优化选择等方面,形成了较为完善的模块化多电平功率变换理论分析方法和功率变换控制技术方案。论文的分析与建模方法、工程设计与优化思路以及功率变换控制策略等可为高压大容量功率变换拓扑与控制、直流配电网中功率变换器设计与控制以及模块化多电平功率变换器稳定性与可靠性等课题的研究提供一定的理论和工程借鉴意义。