模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)作为柔性直流输电的关键技术之一,与传统的多电平技术相比,具有功率单元模块化、交直流输出波形好、功率器件电压应力低和具备公共直流母线等技术优势,从而得到了工业界和学术界的广泛关注,对其进行研究具有十分明确的现实意义。本文在总结国内外现阶段的研究基础上,针对MMC的调制策略、环流注入控制、MMC的故障诊断和容错控制等技术进行了深入研究和探讨。MMC的调制策略是其核心控制技术之一,优化的调制策略可以减小MMC控制的设计难度,降低子模块IGBT的开关频率,从而提高系统的可靠性。基于电容电压排序的调制策略可以避免复杂的子模块电容均压闭环控制器,有利于MMC的设计。本文针对基于电容电压排序的脉宽调制策略,通过分析指出传统的调制方法会导致子模块IGBT开关频率过高的缺陷。基于此,提出优化的上、下桥臂PWM子模块载波的产生方式和子模块的投切策略,从而降低子模块IGBT的开关频率,并分别用仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。同时,本文针对最近电平调制策略输出电平数少,谐波含量大的问题,基于半桥子模块和全桥子模块的混合拓扑,提出相应的调制方式和子模块电容均压策略,将MMC交流输出电压的电平数提升近一倍,并且能够保持任意时刻一相投入的子模块个数之和恒定,不影响MMC桥臂环流的特性。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。功率无源元件,如子模块电容和桥臂电感,是MMC的重要组成部分。通过控制MMC桥臂内部环流,可以降低子模块电容电压纹波,从而提升子模块电容的工作寿命,但对变流器的损耗和功率器件的额定工作状态都会有较大的影响。本文针对降低子模块电容电压纹波同时兼顾桥臂损耗的控制技术展开了研究。目前关于环流的分析都是基于理想功率器件,而事实上功率器件的通态压降也会对环流有所影响,尤其是当子模块个数众多的场合,因此,本文考虑了功率器件的通态压降,详细分析桥臂内部环流的组成。基于此,建立环流与电容电压纹波、桥臂电流有效值之间关系的精确数学模型,通过模型并结合实际控制目标可以确定注入环流的幅值和相角,并提出一种利用电路瞬时值在线生成环流注入基准的方法,无需检测输出交流电流的幅值和相角,能够实现任意比例的环流注入,从而满足不同场合的需要。最后,基于一台三相7电平的MMC,实验结果验证了所提出环流模型的准确性和所提出环流注入方法的有效性。同时,本文研究了 MMC单个桥臂电感故障的检测方法。首先分析电感的故障特性和单个桥臂电感故障对MMC直流侧环流和交流侧输出电流特性的影响。考虑MMC的控制通常会使用环流抑制控制器,无法通过直接检测环流进行电感故障判断,本文提出对环流抑制控制器的补偿量进行离散傅里叶分解,提取基频含量的幅值,并基于其与上、下桥臂电感量差异的关系式,实现电感变化量的在线辨识,从而判断电感故障状况。并且,通过4组实验验证了桥臂电感差异在线辨识方法的有效性,为桥臂电感故障诊断提供了一种方案。MMC子模块个数众多,当发生子模块故障时,需要系统能够及时的检测、定位和隔离故障子模块,并采取子模块故障容错控制策略以保证MMC的不间断运行。本文研究基于最近电平调制策略MMC子模块IGBT开路的故障穿越技术,包括故障检测、故障子模块定位、冗余控制和故障恢复。通过额外增加很少的硬件电路判断发生子模块IGBT故障的相单元,再基于所分析的MMC子模块故障特性,通过软件分别检测故障相每个子模块的电容电压和电容电压放电累积量,实现故障子模块定位和故障类型判断,从而采取冗余控制措施和故障恢复策略,使MMC退出故障状态,准备下个阶段的故障诊断和处理。整个子模块故障穿越过程无需复杂的软件计算和硬件电路,并通过实验结果进行了有效性的验证。同时,当MMC冗余子模块耗尽或者为了降低成本不配备冗余子模块时,本文研究MMC的子模块故障容错控制技术。通过建立数学模型和理论分析,指出已有的基于调制波重组子模块故障容错控制方法的缺陷,提出改进的基于正负半波对称交流零序分量注入的容错控制策略,并通过理论分析说明了基于所提方法MMC的特性。最后,基于一台三相7电平的MMC,通过仿真和实验对已有的方法和本文所提的方法进行对比,验证了所提方法的有效性。