模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)因其具有可拓展性强、传输容量大、谐波特性好、有功无功独立解耦控制等优点,受到了国内外学术界和工业界的关注,目前在柔性直流输电系统中得到广泛应用。本文在前人研究成果的基础上,重点研究了若干模块化多电平换流器的优化控制方法。本文深入调研了MMC在拓扑结构、数学建模、参数设计、控制技术等方面的研究现状,总结出MMC仍存在环流控制需要进一步优化设计、子模块电容电压波动过大、MMC装置启动时间过长、控制复杂等问题。建立了 MMC的交直流解耦数学模型,对MMC-HVDC典型的三层控制系统:阀组级、换流器级、系统级控制进行介绍和分析,为后文提出的一系列优化控制方法奠定了理论基础。针对MMC子模块电容电压波动过大造成子模块所需的电容值较大的问题,以减小子模块电容电压波动率为目标,提出了一种新颖的基于二倍频环流的子模块电容电压波动优化控制方法。首先,通过一种计及环流控制的解析分析方法,推导了MMC子模块电容波动电压、桥臂环流等主要电气参数的解析表达式。然后,给出将子模块电容电压波动量限定在一定范围时所需要注入的二倍频环流的幅值、初相位参考值的计算公式,并设计了相应的控制策略。最后,通过建模仿真进行验证,结果表明,对比传统完全抑制环流的控制方法,所提方法可以进一步减小子模块电容电压的波动量,从而减小子模块所需的电容值。针对MMC在直流融冰场合的典型应用,研究了综合优化控制方法。首先,比较了全桥型和半桥型子模块的直流电压输出范围,为MMC型直流融冰装置子模块拓扑的选择提供参考。然后,提出了恒功率充电和恒调制比充电方式,得出恒功率充电方式的充电速度更快的结论;设计了无功功率、各相融冰电流、子模块平均直流电压控制、载波移相PWM调制四个方面的主体控制策略。最后,分别进行了启动试验、额定电流零功率试验、STATCOM模式运行试验和暂态试验,试验结果表明,可控充电阶段采用恒功率充电方式,充电速度快;所设计控制系统的暂态特性良好,稳定性高。