模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)由于其模块化和可扩展性等优势被认为是电压源换流器在高压大功率应用中的最佳拓扑结构,被广泛运用到高压直流输电和柔性交流输电工程中,级联子模块的应用提升了高压交流电源的质量、灵活性及低谐波率。因MMC的结构由堆叠多个级联连接的子模块组成,其中包含的大量电容器和半导体开关器件都有可能发生故障,因此,必须采取一定的故障诊断使故障的发生得到快速切除。基于以上背景,为了提高MMC可靠性节约系统投资成本,MMC子模块的电容电压观测研究具有重要意义。本文以提高MMC子模块开路故障诊断速度,减少设计复杂度及硬件配置成本为目标,深入开展了MMC故障诊断研究,具体工作如下:(1)本文介绍了MMC的三相拓扑结构与工作原理。以MMC结构特点及运行特性为出发点,推导了MMC的数学模型,并将三相静止坐标系下的MMC数学模型转换为基于同步旋转坐标系下的数学模型。继而对比了两种主流MMC调制策略,并结合电压平衡控制方法进行了仿真验证。在此基础上,基于PSCAD仿真平台搭建了MMC电磁暂态模型,为下文MMC子模块故障后的研究奠定理论基础。(2)针对MMC传感器数量配置过多导致量测系统复杂度增加和系统可靠性、经济性降低等问题,提出基于改进卡尔曼滤波器的MMC子模块电容电压观测方案。首先,分析子模块开关状态量与电压的关系并建立桥臂电压数学模型;其次,针对通过传感器采集的桥臂电压存在测量噪声,基于自适应卡尔曼滤波算法,在线性最小方差准则下,建立了MMC子模块电容电压监测信息的数学模型,从而得到实时子模块电容电压,减少了传感器数量的同时降低了系统噪声的影响。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上对所提子模块电容电压观测方法进行验证。(3)对MMC子模块开路故障特性进行了分析,根据开路故障子模块的电容电压将偏离正常值这一特性,提出一种通过把子模块电容电压实时观测进行相关性分析的故障诊断方法。由于开路故障时,利用子模块电容充放电电路缺失从而使得故障子模块电容电压偏离正常子模块电容电压值这一特性,分别对同一桥臂上各个子模块电容电压的实时观测进行相关性分析,计算得到其关联指数,利用其关联指数偏离设定阀值来完成实时快速的故障诊断,该方法在缩短故障诊断时间的同时也提升了系统可靠性和经济性。最后,通过PSCAD/EMTDC仿真验证所提诊断策略是正确的。