针对模块化多电平变换器MMC(Modular Multilevel Converter，MMC)在高压场合应用时，桥臂级联模块数增多使得控制系统复杂性增加的问题，以及高阶、多变量和强耦合非线性的MMC系统闭环稳定控制器设计困难的问题，本文建立了考虑子模块电容电压动态性的全维状态空间模型，并运用无源性分析方法，从系统稳定角度出发，给出了MMC系统的持续充分激励条件，设计了一致渐近稳定的MMC电容电压离散降维观测器，在模块电容电压均衡的基础上，建立MMC平均值模型，设计了一致渐近稳定的闭环控制器，最后针对MMC在中压变频调速领域存在的电容电压波动和共模电压问题，提出了两种改进的MMC拓扑。本文的具体内容如下：
　　1)从MMC拓扑和工作原理出发，推导了考虑子模块电容电压动态特性的MMC全维状态空间模型。从保证系统的稳定性角度出发，给出了MMC系统的持续充分激励条件，一方面从理论上解决了MMC开环控制系统的稳定性问题；另一方面也为MMC观测器和控制器的稳定性设计提供了理论支撑。
　　2)当MMC系统的电压和功率等级较高时，桥臂级联子模块和电容电压传感器数量较多，在增加系统硬件成本的同时，降低了控制系统的可靠性。本文提出了一种子模块电容电压离散降维观测器的设计方法，一个桥臂只需要一个电流传感器和一个电压传感器，同时从稳定性角度出发，给出了能够保证观测误差一致渐近收敛的观测器增益选取方法。所设计的观测器考虑子模块电容充放电过程，设计简单，且能够获得较小的观测误差。
　　3)针对MMC系统强耦合非线性的特点，首先基于MMC单相系统模型，设计了MMC输入状态的反馈线性化控制器，能够保证闭环系统的全局渐近稳定性。由于没有考虑不同相单元的耦合，中压应用时系统性能会受到影响。为此，根据考虑相间耦合影响的三相MMC平均值模型，设计了MMC状态误差反馈控制器，运用无源理论和回路变换的方法，给出了闭环系统一致渐近稳定的控制器增益的选取方法。所设计的控制器除在保证系统一致渐近稳定外，只需要一个控制环，参数整定简单。
　　4)MMC带电机低速运行时，存在MMC模块电容电压波动大以及与此相关的共模电压高问题。为此，提出了两种改进的MMC拓扑同时解决这两个问题。一种是在MMC交流输出侧串联级联全桥子模块的HMMC-CFB拓扑(hybrid MMC with cascaded full bridge SMs，HMMC-CFB)，用于吸收高频注入算法中注入的高频零序电压分量。另一种是在MMC直流侧上、下对称串联级联半桥子模块的HMMC-CHBD拓扑(hybrid MMC with cascaded half bridge SMs at the DC side，HMMC-CHBD)，使得低速时直流母线电压降低，以减少模块电容充放电功率。本文给出的两种改进MMC拓扑可扩展性强，且控制简单。