模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)在电力电子领域已成为重要、热门的研究方向。与传统的二极管钳位、飞跨电容以及级联H桥型多电平变换器相比,MMC因具有级联的高度模块化结构、可实现多电平输出、易于冗余设计、输出谐波含量少、可四象限运行及功率输送可调节等优点,成为电压源型换流器创新、发展的主要类型之一,在柔性直流输电(高压直流输电)系统中有广泛的应用。基于架空线的柔性直流输电系统(High Voltage Direct Current Transmission,HVDC)在我国拥有广阔的应用前景和发展潜力,然而,目前还有一系列关键问题没有得到很好地解决,因此对基于架空线的柔性直流输电技术的研究具有实际的工程意义。本文对MMC的运行机理、工作特性及系统控制策略进行了研究。(1)首先结合电压源换流器(voltage source converter,VSC)在高压直流输电系统的发展状况和国内外MMC的研究热点,进一步介绍MMC的优点;同时,建立了基于子模块电容电压的电路模型,并进一步简化得到以电流流向为基准的模型;在详细分析MMC与子模块的拓扑结构和工作原理的基础上,说明MMC输出多电平及输出波形的原理;根据简化数学模型,运用功率平衡原理,计算MMC的系统电容和电感的取值范围。(2)根据MMC-HVDC系统三个控制层级的不同,设计功率同步控制外环、电压同步控制外环及电流控制内环的控制策略;由于MMC的电容电压平衡包括桥臂内子模块电容电压平衡和桥臂之间电压平衡两个方面,本文一方面通过双闭环控制器调控桥臂间电压平衡问题,另一方面结合改进的载波调制方式和循环置换映射方式,以控制子模块的电容电压平衡问题。(3)通过分析MMC的拓扑结构和工作原理,发现MMC在工作过程中会不可避免的产生桥臂内部环流,桥臂内部环流会对系统的正常运行及元件性能造成影响,因此对环流的抑制十分重要,本文在分析环流数学模型及产生机理的基础上,以能量波动最低为目标,推导桥臂环流抑制参考值的表达式,设计环流抑制器。同时,在PSCAD/EMTDC软件中对所提出的控制方案进行仿真,验证本文控制策略和抑制策略的可行性和有效性。(4)分析MMC-STATCOM的应用现状、基于半H桥MMC结构的STATCOM的电路模型和补偿原理,及相间不平衡的问题。本文提出MMC-STATCOM内部和外部的控制策略。其内部控制模块包括电容电压平衡控制、桥臂间电容电压平衡控制、相间电容电压平衡控制及环流控制;其外部控制模块包括三相总电容电压控制、输出电压及电流控制。通过构建PSCAD/EMTDC仿真模型,验证得出结论:基于MMC的STATCOM系统能够在电网不平衡、负载不平衡条件下,有效地补偿无功、抑制谐波、补偿负序电流。