在各种高压变流器拓扑中,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)有效避免了功率半导体器件直接串联带来的动态均压问题,具有输出电平数高、可四象限运行、模块化设计、可省掉笨重的工频变压器和滤波器等优点,可应用于柔性直流输电、高压电机驱动、电能质量治理等需要高压变流器的场合。但MMC子模块个数众多,内部电容能量变化机理复杂,开关动作机理受制于不同的均压算法,用于并网时电网的故障也会改变内部子模块的工作状态,如何保证MMC在各种工况下的稳定及优化运行,是各国学者对MMC进行研究的重要方向。本文以模块化多电平变换器MMC为研究对象,依托国家国际科技合作专项目(2011DFA62240)和国家自然科学基金项目(51377050),采用理论分析、软件仿真以及实验验证相结合的研究方法,主要在子模块电容电压的控制、优化均压算法下的开关频率及开关损耗计算、MMC在交流电网不对称故障情况下的运行与控制等方面进行了研究,具体内容如下:由于MMC采用分布式的子模块储能电容结构,子模块电容电压容易受桥臂参数、控制方式等因素的影响而偏离设定值达不到理想运行效果,对子模块电容电压的控制是发挥变换器性能和增加变换器稳定性的有效途径。论文研究了基于各次环流的子模块电容电压控制问题,统一分析了环流直流分量、环流一次分量、环流二次分量与子模块电容电压之间的数学关系,得到了利用各次环流对上下桥臂整体电容电压、上下桥臂不均衡电压、子模块电容电压波动进行控制的方法。设计了基于环流直流分量的上下桥臂整体电容电压控制器和基于环流一次分量的上下桥臂电压均衡控制器,解决了电容电压平均值与直流侧电压独立解耦的控制问题,保证了MMC在上下桥臂参数不一致的情况下的正常输出。通过对桥臂输入和输出功率的分析,提出了基于桥臂瞬时功率平衡的电容电压波动抑制方法,该方法通过对桥臂注入一定的二次环流来降低子模块电容电压的二次波动,减少子模块对电容容量的依赖。通过对注入的二次环流与桥臂上的固有二次环流进行对比分析,揭示了固有二次环流与降低子模块电压波动二次环流之间的本质区别。采用最近电平逼近调制的MMC具有开关频率不固定,开关频率存在很大的优化空间的特点,虽然多种允许子模块之间存在电压偏差而降低开关频率的优化均压算法在MMC中提出,但还缺乏对其开关频率和开关损耗进行计算的研究,导致在工程实践中,优化均压算法的子模块电压偏差的取值和损耗计算缺少理论依据。本文以基于最大电压偏差和基于虚拟电容电压的两种优化均压方法为基础,对这两种优化均压方法下的开关频率和损耗计算进行了深入研究,提出了一种基于近似积分代替的开关频率和损耗的定量解析计算方法,得到了两种方法下的开关频率和损耗的解析表达式;利用得到的解析表达式对影响开关频率和开关损耗的各种因素进行了分析,揭示了子模块之间不均衡电压、调制比、功率因数对开关频率和开关损耗影响的规律;最后对这两种均压算法的性能及优点和缺点进行了详细的对比分析,可为工程应用中两种均压算法的选择及子模块之间不均衡电压的设计提供理论支撑。MMC在电网发生不对称故障下,桥臂内部环流与子模块电容电压波动状态都会随之变化,进而威胁MMC的安全稳定运行,电网正常情况下的桥臂环流和子模块电容电压模型及控制方法在电网电压不平衡时不再适用,因此本文对MMC在不对称电网故障下内部子模块、桥臂环流的数学模型及控制策略进行了深入研究。以电网不对称故障下变流器的两种常见的控制策略——抑制负序电流为目标和抑制有功功率二倍频波动为目标的控制策略为基础,对两种控制策略下的桥臂环流进行了详细的对比分析,根据上下桥臂输出电压与直流侧电压不匹配产生交流环流的机理,推导得到了桥臂环流的解析表达式,提出了基于子模块电容电压稳定的桥臂环流抑制策略,该方法不需要单独设计零序环流控制器,不需要计算桥臂环流给定值,在抑制负序电流和抑制有功功率二倍频波动两种控制方式下都适用。同时本文也对两种控制策略下的子模块电容电压波动按基频波动和二次波动进行了详细的分析。最后本文对MMC进行了相关的实验研究。对实验室搭建的单相九电平MMC实验平台的实现作了详细介绍,包括子模块电容、桥臂电感、IGBT参数等主电路参数的设计和由DSP+FPGA组成的控制电路的设计。在实验平台上对上下桥臂整体电容电压控制方法、上下桥臂电压均衡控制方法、子模块电容电压波动的抑制方法、桥臂环流的控制方法、两种优化均压方法下的开关频率和损耗进行了充分的实验,实验结果验证了本文相关理论分析和所提控制方法的正确性和有效性。