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在我国的牵引供电系统中,单相工频交流供电模式被广泛使用,但这种不对称的供电模式会引起严重的电分相与电能质量的问题,无法满足我国铁路发展的需求。随着电力电子科学的不断发展与完善,近些年不断向电力系统渗透,电力电子化的电力系统已成为未来电网的发展趋势。模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)因其在中高压、大功率应用中特有的优点,被广泛应用于高压直流输电中(high voltage direct current,HVDC)。本文将其引入牵引供电系统中。该系统采用一个三相MMC与一个单相H桥型MMC背靠背运行的结构,实现三相交流电到单相交流电的转变。这种结构不存在不平衡的问题,而且能起到无功补偿和改善电能质量的作用。本课题针对新模式下的牵引供电系统的MMC展开以下研究:(1)研究了MMC的基本工作原理及数学模型。首先分析了全桥与半桥两种子模块的工作原理,建立了基于平均值的数学模型,并与两电平逆变器进行对比。然后研究了MMC的相关调制策略,重点分析了载波移相与最近电平两种调制策略,为调制策略的选取提供了参考依据。(2)提出了MMC的多级电容电压平衡控制策略。将MMC的电容电压平衡控制分为相间平衡,桥臂间平衡与桥臂内平衡。分析了相间平衡与桥臂间平衡的自平衡机理及与桥臂阻抗的关系,在此基础上提出了一种虚拟阻抗的方法改善了桥臂间平衡特性。针对闭环平衡控制中多个控制器带来的复杂性,提出一种新的平衡控制策略。该平衡控制策略仅需控制桥臂中电容电压最高与最低的两个模块,将每个桥臂的控制器的个数由N个减少为2个。(3)研究电网侧三相MMC在电网电压不平衡下控制策略。针对电网电压不平衡时直流母线存在的二倍频波动问题,提出了一种基于两相静止坐标系的电网不平衡下的控制策略。实现了对直流母线二倍频波动的抑制,相比于同步旋转坐标系下的控制,该控制策略无需对正负序电流分别控制,简化了控制结构。(4)研究了机车侧单相MMC的控制策略。针对新型牵引供电系统中机车侧MMC由于单相输出结构和牵引负荷的移动特性可能出现的不同步问题,提出了一种基于直接功率的无锁相环控制策略,避免了单相锁相环的鉴相延迟和失败的影响稳定性。