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超导储能装置(SMES)是将电能以电磁能的形式储存在超导电感中的一种新型储能装置。当它挂接在电网中时，在四象限范围内其快速的有功和无功功率交换能力可以有效地提高电力系统供电质量。大功率超导储能装置在实时性、可靠性以及成本方面，与其它的电能质量调节装置相比，具有很大的优势。因此，本文立足于大功率超导储能装置的研究。
级联多电平电压源型变流器具有结构简单、易于模块化、谐波特性好等优点，因此本文选用级联多电平变流器作为大功率SMES装置的变流器。
本文详细推导了级联多电平电压源型变流器在三相电网平衡时的数学模型，分析了变流器和斩波器的工作原理；分析了单极倍频CPS-SPWM调制技术的原理及其在级联H桥多电平电路中应用的优点；介绍了主电路开关管、电感和电容等参数的选取方法，计算了按设计容量所需的储能装置主要器件的参数，对装置的缓冲保护电路、采样电路以及驱动电路也进行了分析设计；深入研究了基于单极倍频CPS-SPWM调制技术的电压源型变流器的控制方法和斩波器的控制策略。最后在MATLAB中搭建了级联多电平SMES装置的仿真模型，对采用单极倍频CPS-SPWM调制方式的三级级联H桥电路工作过程、斩波器的工作过程以及级联多电平电压源型SMES的控制策略进行了仿真验证。在仿真的基础上，搭建了斩波器、单相三级级联以及三相单级级联的硬件试验平台，编写了以XE164FM MCU为核心控制芯片的控制程序，试验结果验证了相应控制算法的正确性与可行性，三相单级级联的试验结果证明了SMES装置可以有效调节电网的功率。