柔性直流输电技术在解决异步电网互联、远距离孤立负荷供电等问题上有着传统直流输电技术不可比拟的优势。然而基于两电平、三电平的柔性直流输电系统存在电压等级低、损耗较大、滤波器体积庞大等不足，在一定程度上限制了其在直流输电工程中的进一步应用。基于模块化多电平换流器的直流输电系统采用模块化设计，输出电平数高且可灵活调节，以适应不同电压等级和功率等级的要求，省去了大功率交流滤波器，降低了子模块的开关频率，适用于大功率直流输电场合。本文在介绍了模块化多电平换流器工作原理的基础上，阐述了模块化多电平换流器的调制策略；提出了一种改进的基于排序法的电容电压均压策略，该方法可以有效地实现电容均压，降低器件的开关频率；通过分析换流器内部环流产生机理，设计了负序二倍频环流抑制控制器，仿真证实了所设计的控制器可以有效地抑制换流器的相间环流分量。本文在两相旋转坐标系下建立了基于模块化多电平换流器的直流输电系统的数学模型；分析设计直流输电系统的双闭环控制策略，与阀组级控制策略相结合，实现了对模块化多电平换流器及直流系统的有效控制；通过对两端有源和向无源系统供电的直流系统的电压、电流、有功、无功、子模块各电量的仿真分析，直观地证明了直流系统的优质特性。考虑了负序电流分量对直流输电系统及换流器的影响，本文建立了三相电压故障工况下直流输电系统的数学模型；考虑了负序分量对传统锁相环的影响，设计了故障状态下的相位检测法；以抑制交流侧负序电流为目标，提出与负序电压补偿控制相结合的双闭环控制方法；通过对换流器的子模块电容电压波动、内部环流变化的仿真分析，验证了双闭环控制方法、子模块电容电压均衡策略、环流抑制策略在三相不平衡故障条件时的有效性。