柔性直流输电技术在解决新能源发电联网、远距离海上风电联网、大型城市供电、交流电磁环网的解环运行等方面具有显著优势,是未来具有发展前景的输电方式。模块化多电平换流器(MMC)因具有较低的电压变化率和电流变化率,输出谐波少,模块化程度高,便于换流器的冗余设计等诸多优点,成为电压源型换流器的主要发展方向之一,在高压直流输电中具有广阔的应用前景。目前,基于模块化多电平换流器的高压直流输电技术还处于工程技术研发和初步应用阶段,其中的许多科学问题和内在规律尚未得到完全揭示,大量的基础理论和工程技术问题还有待进一步深入研究。本文从MMC的基础理论入手,对MMC内部能量均衡控制,正常运行工况下MMC-HVDC系统的运行控制策略,以及交流系统故障情况下MMC-HVDC系统的控制策略开展深入研究。建立了基于开关函数的子模块数学模型和MMC的数学模型。在分析稳态和故障情况下元件参数与电容电压波动、桥臂电流数学关系的基础上,设计了MMC子模块电容和桥臂电抗器参数选取方法。通过推导MMC-HVDC交直流侧电气量的关系,给出了MMC-HVDC各种工作模式下交直流侧的运行特性。仿真结果验证了所建立数学模型的有效性。针对于模块非同时投入、切除导致其电容电压不均衡问题,通过分析及建立桥臂电流与子模块电容电压关系,揭示出子模块电容电压波动机理及电容电压波动规律。提出了一种电容电压均衡控制方法,该方法以换流器桥臂电流和子模块电容电压不平衡裕度为判据进行子模块投切调整,保证了子模块电容电压均衡性,同时,该方法有效降低了功率器件的开关频率。仿真结果验证了所提方法的可行性和有效性。提出了采用等效平均值求解子模块电容电流和桥臂电流的方法,建立了子模块电容电压周期性变化引起的桥臂电压偏差与桥臂间环流关系的数学模型,揭示了MMC桥臂间环流产生的机理。提出了一种桥臂间环流抑制方法,在换流器控制系统中增加用于环流抑制的补偿控制器,控制器以桥臂电压期望值与实际值之差为控制量对桥臂参考电压进行修正,使桥臂输出的电压为基波正弦量,进而抑制桥臂间环流。仿真结果表明,该方法能够有效抑制桥臂间环流,同时减少子模块电容电压波动。针对dq坐标系下MMC-HVDC系统d轴分量与q轴分量存在交叉耦合的问题,建立了基于状态反馈解耦的MMC-HVDC控制系统模型。设计了基于状态反馈控制的MMC-HVDC双闭环控制系统。内环控制器采用状态反馈方法实现了换流器dq轴电气量解耦控制,外环控制器采用PI控制实现了MMC-HVDC系统有功控制量、无功控制量的稳态无差控制。建立了交流侧故障情况下MMC-HVDC的等效电路及其数学模型。针对交流侧故障引起换流器三相电流不平衡问题,提出了基于序分量法的不平衡电流抑制方法。针对两侧换流器功率不平衡导致系统直流电压波动问题,提出了维持直流电压稳定的电流限幅控制策略。通过仿真验证了提出的故障控制策略能够有效抑制换流器三相电流不平衡和故障导致的桥臂间环流,同时,能够保证故障时直流电压的稳定性。