能源供应紧张是当前社会发展所面临的严峻考验,人们对电力行业的要求日益增加,研究高效节能的电能变换装置对工业生产和日常生活具有重大意义。其中模块化多电平变换器(MMC)凭借其高度模块化、易实现、谐波特性好等突出优势,在柔性直流输电、电机传动、高压DC/DC功率变换等中高压大功率场合得到了广泛的应用。本文以MMC在逆变方面的应用为主要研究方向,围绕模块化多电平变换器的调制策略、电容电压平衡策略及故障诊断方法等展开研究。在分析其拓扑结构、工作机理和数学建模的基础上,重点讨论了不同的控制策略和子模块开路故障诊断方法,并进行了仿真验证及结果分析。论文主要工作如下:首先,介绍了 MMC的组成结构和子模块工作模式,并以五电平拓扑为例进一步阐述了其工作原理。将电路拓扑适当地简化等效,建立了以开关函数为基础的电容电压方程和交直流侧方程,作出了单相等效电路图和交直流侧等效图,详细分析了等效图中各电气参数之间的对应关系。研究了MMC主电路中的重要参数选取问题,并给出了确定各个参数大小的依据。在此基础上建立了基于MATLAB/Simulink的主电路仿真模型。其次,阐述了MMC的常用调制方法和电容电压平衡控制方法。对基于载波移相的分层控制策略和基于电容电压排序的统一控制策略这两种控制策略进行了重点分析和设计,包括控制过程、原理框图以及各部分功能。在MATLAB/Simulink平台搭建了基于载波移相的分层控制策略的仿真模型,仿真结果表明采取此种控制策略可使电容电压保持在额定值附近,输出谐波含量和总体波动系数较采用前显著减小。此外还对N+1电平模式和2N+1电平模式进行了比较分析,实验结果表明等效开关频率与每个桥臂中子模块数目N成正比关系;相比于N+1电平模式,2N+1电平模式虽然可以显著增加输出电平数并降低输出电压的谐波含量,但在该模式下环流和桥臂电感压降将会明显增大。最后,针对子模块IGBT开路故障,以桥臂电流为观测变量设计了滑模观测器。通过比较桥臂电流的观测值与测量值之间的残差来检测故障发生;根据每个控制周期内电容电压和桥臂电流计算的故障特征值来定位故障子模块。基于MATLAB/Simulink搭建了子模块故障模型,验证了所提故障诊断方法能快速准确地检测子模块开路故障的发生及识别发生故障的位置。