模块化多电平变换器(MMC)已成为最具应用前景的高压交直流转换拓扑结构之一。随着MMC-HVDC研究进程的深入和工程应用的进一步扩展,其电压等级、传输容量和输电距离逐渐向更高的水平发展,采用架空线的输电线路因具备较好的经济和技术优势,成为未来MMC-HVDC输电线的主流选择。但与此同时,架空线发生直流输电线路短路故障的概率远高于直流电缆,带来绝缘、保护和运行等方面的诸多问题,因此对直流侧短路故障特性以及控制保护策略的研究非常重要。本文首先介绍了MMC-HVDC的发展历程和研究、应用现状,以传统半桥型子模块MMC为例,详细分析其拓扑结构和工作原理,建立数学模型。对MMC-HVDC分层控制系统的结构和功能进行研究,重点介绍了本文采用的换流站级直接电流控制策略和阀级最近电平逼近调制策略。其次,介绍了MMC-HVDC直流侧短路故障类型,并针对影响最为严重的双极性短路故障进行故障机理及暂态特性分析。在总结现有的暂时性故障保护策略的基础上,设计了一种适用于永久性故障的控制保护策略,控制交流侧相电压中点与直流母线电压等电位,无需系统停运即可熄灭故障点电弧,从而省略复杂的继电保护动作及系统重启过程,实现故障清除后系统的快速恢复,并提出一种改进的直流侧故障控制流程。再次,分析子模块电容电压波动原理,介绍现有的电容电压监测及控制方法。针对该种方法硬件成本及控制系统复杂程度过高的缺陷,本文从子模块拓扑优化的角度出发,提出了一种基于自均压组合电容型子模块(S-CCSM)的电容电压均衡控制策略,减小一半数量的电压信号的测量和传输,仿真验证该控制策略的有效性。最后,针对当前逆阻型子模块因触发非同时性导致的运行安全及稳定性问题,设计了一种二极管钳位逆阻型双子模块(D-RBSM),通过仿真对其触发同时性方面的优势以及故障电流闭锁能力进行验证。此外,在D-RBSM的基础上进行改进,使之适用于永久性故障控制保护策略,验证本文设计方案的有效性。