牵引负荷启停频繁,其制动能量将引起牵引网过压、电力系统严重不平衡和能量损失等问题。本文将基于单相MMC变换器研究牵引负荷制动能量的回收、储存和再利用。MMC变换器具有扩容灵活、高压大功率等优点,其与储能元件相结合能根据需要吸收能量并再利用该部分能量。但传统MMC变换器内部包括环流,环流会增加MMC损耗和减小器件容量利用率。本文提出了一种无直流链路的单相MMC储能变换器,主要研究内容如下:首先,分析了单相有直流链路MMC变换器数学模型,由于单相MMC变换器的环流在两相内完全相等,因此存在相与直流侧之间的环流,其中二倍频环流不仅会给变换器带来损耗,还会增大直流侧的二次纹波。本文提出并研究了一种单相MMC二倍频环流抑制策略,并通过MATLAB/Simulink仿真和小功率平台验证其有效性。然后,在单相MMC变换器环流特性基础上,提出并研究了一种无直流链路的单相MMC储能变换器,该变换器在传统单相MMC变换器的基础上,取消了直流侧电容和两桥臂的连接,将储能元器件直接设计在子模块内,变换器不存在相间环流。并研究了无直流链路的单相MMC储能变换器的恒功率控制策略,可直接吸收能量并回馈至供电网再利用。另一方面,针对传统MMC排序算法当子模块数量增加时排序均压困难的问题,提出并研究了一种改进型子模块均压排序算法,该算法将子模块分成若干组,每次只需排序一组子模块,继而将排序结果应用于所有组,并让排序组与导通数量在各组件以一定周期循环。该方法显著减小了排序计算量,仿真验证了算法的有效性。最后,设计了无直流链路的单相16模块MMC储能小功率实验平台和实验方案,完成了基于Verilog HDL语言的FPGA芯片控制程序设计,实验验证了本文研究的变换器和控制策略在不同传输功率下变换器始终无相间环流、模块电压均衡、双向功率控制正常。