随着模块化多电平变流器(Modular Multi-level Converter,MMC)装置及其控制技术的成熟,柔性直流输电系统应用范围也越来越广泛,例如,海上风电场的电力输送等。独立的双端系统已不能满足多个风电场并网与电力输送、多种形式的能源与多个负荷中心互联、多个交流网络互连组成直流电网等应用的需求,因此多端柔性直流输电系统(Multi-terminal HVDC based on VSC,VSC-MTDC)已成为该领域研究热点之一。多端系统相对于双端系统具有更多的控制自由度,因此控制方式更加灵活,但控制方法也相对复杂。实际工程中通常将整个系统分为多个控制层次,主要包括集控、站控、换流器控制层以及阀控层。集控和站控属于顶层控制,设置各换流站控制模式和功率、电压等指令信号。换流器控制层和阀控层则实现对指令信号的跟踪控制。本文主要研究换流器控制层和阀控层控制策略。对于换流器控制层,主要为本地的多端协调控制策略,以及多个换流站直流侧互联后系统的稳定性;对于阀控层考虑直流输电领域多采用模块化多电平变流器(MMC),对MMC内部环流进行详细分析,在常规二倍频环流抑制基础上附加基频环流和桥臂能量控制环节,改善MMC控制性能。针对上述问题,论文的主要研究工作具体包括以下几个方面内容:1、研究常规下垂控制方法在多端柔性直流输电系统中的应用,针对系统中含有多个定电压控制站工况,建立多端柔性直流输电系统直流网络模型,基于此推导直流电压和直流电流的关系,在定电压换流站设计直流电压-直流电流下垂特性,使定电压换流站收/发出根据各自额定容量按比例自动分配的功率。对于定功率站,当暂态过程中,直流电压超过设定最大值时,自动切换为直流电压-有功功率的下垂控制特性,帮助系统稳定直流电压。基于PSCAD搭建4端柔性直流输电系统,对下垂控制方法进行仿真验证,结果表明多个定电压换流站能够按照设定斜率自动分配功率。此外由仿真可知,当系统功率偏离额定工作点时,直流网络电压也略微偏离额定值,对此借鉴交流系统中二次调压控制思想,设计了直流网络的二次调压方法,将各换流站传输的总有功功率与其期望值的误差进行二次分配,使直流网络电压受扰后恢复至额定值,网络传输有功功率与期望值间实现无差跟踪。2、针对多端柔性直流输电系统中定电压换流站动态退出和恢复运行的暂态过程中,基于PI调节器的常规矢量控制策略下直流电压超调过大的问题(经分析可知原有定电压控制站完全退出后,定功率换流站切换为定电压控制站,在切换时刻电压控制环响应速度较慢造成直流过压严重),提出采用反步法设计定功率站的直流电压下垂控制器,推导了下垂控制器中直流电压的渐近稳定控制律,经仿真对比改进后的下垂控制能够有效减小切换过程中过压持续时间和过压值。3、研究模块化多电平变流器环流控制方法,在常规二倍频环流抑制基础上增加基频环流控制环节,实现上、下桥臂间的电容电压平衡控制,与桥臂内电容电压平衡控制方法(电容电压排序法)相结合,提高了系统稳定性。进一步以桥臂环流和上、下桥臂电容电压和为状态变量,建立模块化多电平变流器的内动态数学模型,基于此分析了间接调制和直接调制方法的稳定性,并指出上、下桥臂平衡(即上、下桥臂电压差)的动态方程有欠阻尼特性,对此提出阻尼注入方法,引入环流的直流分量作为反馈增加系统阻尼,经仿真验证所提出方法能够消除直流功率波动,提高系统稳定性。4、针对包含模块化多电平换流器和传统电网换相换流器的混合直流输电系统,研究系统特性和控制方法,传统换流器工作于整流状态,采用定直流电压控制,模块化多电平换流器工作于逆变状态,采用定功率控制,仿真结果表明,MMC侧采用常规矢量控制方法时系统直流侧存在低频功率波动,对此建立混合直流输电系统直流侧等效模型,分析知该直流回路为LC谐振电路,且由于传统换流器直流侧存在较大平波电抗,因此其电流变化率较低,这与模块化多电平侧常规矢量控制策略下电流内环的快速性相矛盾,因此提出采用功率同步控制方法,取消电流内环,通过调整控制信号的相位实现有功功率跟踪控制。同时推导了功率同步控制中有功功率-功角间的传递函数,指出其同样存在欠阻尼特性,提出附加桥臂电容储能闭环控制,等价于向系统注入阻尼,提高其稳定性。同时结合混合直流输电系统直流功率的单向性,采用在直流线路串联二极管阀的拓扑结构实现直流故障的隔离,并利用仿真分析直流双极短路过程中该二极管阀承受的最高反压,可为实际工程设计提供参考。5、小功率三端柔性直流输电系统实验验证,利用该实验平台验证了基本下垂控制算法和改进的VSC-MTDC控制方法,包括直流电压二次调整和变流器的反步法控制。进一步验证了多端系统中各端换流器作为STATCOM(无功补偿)装置单独运行的功能,以及孤岛供电模式的功能,为后续深入研究多电平多端柔性直流输电系统奠定了实验基础。论文的创新点归纳为以下几个方面:1、基于交流系统中二次调压控制原理,提出了VSC-MTDC的直流电压二次调压方法,实现了传输功率的二次分配,使系统恢复到额定运行点。2、基于反步法推导了VSC-MTDC系统直流电压控制律,能够减小大扰动过程中(如功率控制站自动切换为电压控制站)系统直流过压程度,有效提高系统抗扰能力。3、建立MMC拓扑的内动态数学模型,分析其欠阻尼特性,并提出阻尼注入方法,能够消除直流功率波动,提高系统稳定性。4、针对LCC和VSC混合直流输电系统,建立其直流侧等效电路,分析该等效回路的欠阻尼特性,提出通过附加桥臂电容储能闭环控制,等价于向系统注入阻尼,提高其稳定性。