模块化多电平变换器(MMC)具有高度模块化、易于实现冗余运行及维护等诸多优势,近年已来逐渐成为高压直流(HVDC)输电场合的主流变换器拓扑。此外,MMC可根据电压等级不同对子模块数目进行灵活扩展,子模块还可构成分布式光伏电池的接入端口,实现功能集成,因此在中压电力系统亦其极具应用潜力。然而与高压系统相比,中压电力系统的电压等级较低,所需的MMC模块数较少,通常只有数十个,每个子模块对MMC的运行特性均有重要影响,因此单个子模块故障会对变换器运行性能产生显著的不良影响,变换器将无法正常工作甚至退出运行,极大降低系统的运行可靠性。因此在中压电力系统里需对子模块故障进行准确快速的故障诊断与简单有效的冗余控制。为此,本文以在中压电力系统中的三相DC/AC MMC为研究对象,对其子模块故障诊断和冗余控制展开研究。主要内容如下:1)展开了调制和排序均压算法的设计与MMC基本运行状态的分析。由于中压电力系统中的MMC子模块数目较少,因此选择了同相载波层叠脉宽调制(PDPWM)调制策略以减小输出电压电流的谐波含量;选择经典排序均压算法以实现电容电压的良好动态均衡。对上述调制与均压策略下的MMC变换器进行了原理分析,为下文的故障诊断与故障冗余控制给出理论分析依据。2)展开了MMC子模块故障诊断方案的设计。针对中压电力系统中MMC的子模块数目较少,子模块故障影响显著这一特点,本文提出了基于滑模观测器(SMO)的子模块故障诊断方案。该方案在不增加额外采样电路的前提下,以子模块电容电压为对象建立滑模观测器。与传统先故障检测再故障定位的两步诊断方案不同,本方案可一步实现故障检测与定位,因此诊断过程更为迅速,可在1/4基波周期内发现子模块故障。3)展开了MMC子模块冗余控制方案的设计。针对MMC变换器控制较为复杂的特点,本方案不需改动已有调制与排序均压算法,仅通过增加独立的冗余控制单元即可实现冗余运行。进一步设计了层次化冗余运行方案并给出其对系统损耗、器件容量等的影响。4)建立了Matlab/Simulink仿真模型与小功率实验平台,对上述诊断与冗余运行方案进行了验证,仿真与实验结果证明了上述设计方案的有效性。