统一电能质量调节器(Unified power quality conditioner,UPQC)是一种电压质量与电流质量问题兼顾治理的定制型电能质量治理设备,其利用串联变流器解决配电网侧电压质量问题,采用并联变流器治理用户侧电流质量问题,可满足同一配电网出现多种电能质量问题的治理需求,同时解决多种电能质量治理设备装置间配合困难问题。受限于电力电子器件耐压能力,现有UPQC结构难以适用于中高压配电系统电能质量治理场景。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的出现为UPQC换流器技术的发展带来了新的变革,MMC采用高度模块化的设计,可通过线性扩展模块数以适应不同电压等级,与传统级联多电平拓扑结构相比,相同电压等级下MMC所需开关器件相对较少、控制更为简单,且具有输出波形质量高、开关频率低与故障处理能力强等优点。UPQC的串、并联变流器采用MMC结构组成MMC-UPQC,为UPQC应用于中高压、大容量场合提供了有效途径。考虑到MMC-UPQC内部结构和外部环境的复杂性,非正常运行状态下MMC-UPQC的高效可靠工作,是有效治理电网电能质量问题和保障系统稳定运行的重要条件。为提高MMC-UPQC在非正常运行状态下的运行性能,研究其内部子模块故障情况下和直流侧单极接地故障情况下MMC-UPQC运行特性及相应的控制方法,以及非理想电网下MMC-UPQC功率分配特性及改进方法,对实际工程具有重要的指导意义。本文首先研究了MMC-UPQC的数学模型与基本控制方法,然后围绕子模块故障情况下MMC-UPQC故障容错控制策略、直流侧单极接地故障情况下MMC-UPQC特性分析及能量再平衡控制策略、非理想电网下含储能单元的MMC-UPQC功率控制策略等三个主要问题展开了深入研究。本文主要研究内容阐述如下:(1)子模块故障是MMC-UPQC中常见的一种故障类型,本文针对MMC在子模块故障时桥臂不对称运行问题,提出了MMC-UPQC的故障容错控制策略。首先,建立基于开关函数的桥臂不对称运行数学模型,揭示了上、下桥臂子模块开关函数不一致是导致不对称运行的根本原因;其次,借助补偿阻抗以抵消上、下桥臂子模块故障数目不相等导致的不对称分量,从而建立桥臂交流电流、直流环流和交流环流耦合电路;最后,采用不同频率下电流解耦控制方法,提出了具有故障容错能力的桥臂电流解耦控制策略,解决了桥臂不对称运行带来的不平衡与环流问题。(2)MMC-UPQC站内直流侧单极接地故障是影响最为恶劣的故障类型之一,本文针对MMC-UPQC直流侧单极接地故障引起的一系列问题,提出了MMC-UPQC的直流单极接地故障分析方法以及能量再平衡控制策略。首先,建立了直流侧单极接地故障情况下的故障电流计算模型,并分析了故障电流的产生机理;在此基础上,利用混合型MMC桥臂可输出负电平电压的特性,调整混合MMC的运行模式消除了交流电压直流偏置以及故障电流;通过对下桥臂功率流动特性进行分析可知,该运行模式将导致上、下桥臂能量不平衡问题,引起故障桥臂子模块的电容电压持续上升,影响开关器件的安全运行;最后,本文基于基频环流注入方法提出一种直流单极故障能量再平衡控制策略,保证直流单极接地故障下仍可传递一半的额定功率,实现了MMC-UPQC的不停机运行。(3)本文针对常规补偿策略串、并联变流器所承担功率分配不合理的问题,提出了一种含有储能单元的MMC-UPQC功率协调控制策略。通过合理分配串、并联变流器的功率输出,将串联变流器的工作电压维持为额定值,最大限度地分担了并联变流器的负担,并保证其在工作过程中不会超过容量限制。同时,由于利用储能单元将电源电流维持为正常工况下负载电流的有功分量,可以防止电源电压跌落时馈线电流的增大,消除了配网馈线过电流的风险。在电源电压跌落为零的特殊情况下,此时储能单元提供所有的负载有功功率,保证了对负荷的不间断供电。所提策略通过合理分配UPQC串联变流器、并联变流器与储能单元三者之间所承担的功率,可有效减小UPQC的容量配置。本文分别在PSCAD/EMTDC平台上搭建了上述控制策略的仿真模型并进行了相关的仿真分析,仿真结果验证了控制策略的有效性与可行性。