随着中／高压大功率应用领域对电力电子变换器的需求越来越广泛,传统功率变换器与多电平技术的结合已经成为研究热点。相较于传统两电平或三电平变换器,模块化多电平变换器(modular multilevel converters, MMC)通过级联式结构,将低耐压功率器件应用于中／高压应用场合,表现出输入输出电压具有较低的谐波含量和dU/dt、不需要大量箝位二极管和飞跨电容、节省了移相变压器、无需交流滤波电感、易于模块化、可靠性高等显著优点而倍受青睐。模块化多电平技术核心技术日趋成熟且积累了大量技术研发和工程应用经验,但也面临一定局限,比如：存在固有的直流故障缺陷而需优化或改变子模块拓扑结构等措施增强MMC的故障清除能力；在低频控制领域,MMC需要注入额外的功率以抑制电容电压低频波动,但受限于电压电流裕量,在中／高压大功率场合应用不足。级联H桥型模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converters, M3C或MMMC)的出现提供了一种新的解决方案：H桥子模块单元结构具有直流故障穿越能力；在交／交变换场合下,MMC需连接为背靠背系统,M3C省去中间变换环节,其桥臂数量可节省1/4；M3C仅通过桥臂功率内部交换即可解决低频控制问题,因而更具优势。M3C兼顾传统矩阵变换器与模块化多电平的优点,可以实现任意幅值、频率、相位的输出,具备四象限运行能力,任意功率因数输入,通过增/减级联子模块数目应用于不同电压等级。M3C各桥臂支路串有电感,突破了传统级联H桥型模块化多电平矩阵变换器存在的短路风险及其控制约束,使得各桥臂支路具有相对的独立性,可看作单相级联逆变器,控制更加灵活,使M3C成为易扩展的开放性拓扑。目前研究较为普及的MMC、链式STATCOM或STATCOM、背靠背MMC均可看作M3C的一个特例,因此M3C具有很强的代表性和通用性,其子拓扑结构的研究可提供一定的共性技术支撑。M3C能满足电网发展对先进电力电子变换器的要求,为各种FACTS装置用于中／高压电网提供了有效技术支撑,因而拥有广阔的应用前景。本文以M3C为研究对象,围绕M3C电容电压波动机理、系统建模与控制设计、全频率段控制方案制定、特殊3×3型M3C直流侧不平衡机理分析及控制等若干关键问题开展研究工作,主要内容包括：(1)建立M3C简化等效电路模型,以功率分析并结合仿真计算验证为基本手段,对M3C稳态时电容电压波动机理展开研究,得出电压波动的一般性规律,其中交流两侧频率是影响纹波电压的关键因素,当输入、输出频率彼此接近或一方低频时属于M3C极端运行工况,纹波电压将趋于无穷大而阻断系统正常运行,兼顾到M3C对称性,将M3C划分为一般工况、输出低频和输入输出趋于同频三种基本工况进行控制技术研究。基于开关函数法,按照单模块桥臂单元至N模块级联桥臂单元的基本建模顺序,建立M3C开关周期平均值等效数学模型和小信号模型,推导并简化得到N模块级联桥臂单元传递函数并用于闭环设计。(2)针对一般工况,建立了适用于M3C的多层次电容电压平衡和桥臂电流控制的串级控制系统,从有功平衡角度出发选取电流控制变量,约束环流量仅在桥臂内部流动；根据桥臂交／直流侧有功守恒,简化并统一电压控制器设计；桥臂电流直接控制作为内环,可实现输入输出电流间接解耦控制,避免复杂的解耦变换,同时内部环流作为可控成分得以有效抑制。(3)在输出低频工况下,为使M3C平稳跨越输出频率趋于0时的频率区间,提出了基于瞬时功率跟随的低频包络线控制方法。根据相单元间输出二倍频功率和有功功率共同交换且不易受其他波动影响的基本规律,将波动巨大的输出二倍频纹波电压当作有用成分投入闭环反馈控制,其中电压外环采用输出相间电容电压直流偏差和输出二倍频纹波的混合反馈模型,通过复合控制输出跟随相间有功偏差和输出二倍频功率实时脉动的环流量,从而实现二者统一控制,进一步提出了适用于M3C输出低频工况的电压电流综合控制框架。(4)在输入输出频率比趋于1/3工况下,为使M3C平稳跨越1/3频率比附近的频率区间,提升M3C低频连续运行能力,提出基于环流重构的广义低频包络线法,揭示了该工况下电容电压波动剧烈的根本原因：相间平衡电流变量中的正序成分激发了巨大低频电压波动。为避免其他不连续频率点产生,采用闭环消除正序电流的直接措施：根据3×3型M3C特有的正、负序电流错位对称分布特征,剔除特定桥臂组合中的零序成分(正序电流),间接提取负序电流,其中负序电流含两种频率成分,包括纹波抑制负序环流和相间有功平衡负序环流；为补偿正序电流的准有功调节量,根据正、负序电流作用等效原理,保留并加倍负序电流幅值,最终实现环流重构。该方法在相间平衡控制层实现,在不影响相间有功平衡和输出二倍频纹波电压正常抑制的前提下,扩大了M3C低频连续运行频率区间。(5)针对输入输出趋于同频工况,揭示了差频功率有效解耦是抑制该工况巨大差频电压波动的关键,提出高频环流注入法和对称频率环流注入法两种方案,二者均在桥臂间平衡控制层中实现,具体如下：1)高频环流注入法：根据桥臂单元间差频功率和有功功率共同交换的基本特征,将差频功率纳入桥臂单元间有功平衡控制层,通过桥臂间电容电压直流偏差和差频纹波的混合反馈控制,闭环输出高频环流量,通过额外的功率注入实现差频功率有效解耦控制。2)对称频率环流注入法：根据2((ω1-ω2)频率环流功率的产生是影响差频功率有效解耦的关键这一结论,采用传统输入、输出有功电流注入法所用环流分量的优化组合,同步注入对称频率环流,主动抑制2(ω1-ω2)频率环流功率产生,从源头上阻断环流功率循环耦合的产生,该方法具备限制桥臂电流峰值的能力。(6)建立特殊3×3型M3C简化等效电路模型,通过功率分析得出桥臂间无功差异是影响电容电压平均值稳定的关键。基于桥臂间差频功率、无功和有功功率共同交换的规律,将无功差异纳入到桥臂间有功平衡范畴,沿用多频率功率混合反馈控制模型,闭环输出高频环流,实现多频率功率统一控制。在单一环流路径下,注入输入、输出频率两种独立环流量,分别调整桥臂间非零序有功偏差、相间有功偏差。桥臂电流环可实现两侧交流相电流及内部各频率环流解耦控制。(7)给出两种多电平半实物模拟方法用于低压物理实验：1)基于运算放大器的半实物模拟平台：以实际功率变换器等效外特性为基本原理,通过对变换器进行系统建模、低压信号调理和运放电路实现等环节,实现模拟平台构建；2)基于Rtlab实时仿真器的半实物模拟平台：通过调用系统模型库搭建并模拟主电路,作为被控对象与实际控制器等互联,实现模拟平台构建。