在近些年新兴的以全控型器件为基础的柔性直流输电(Voltage Sourced Converter High Voltage Direct Current,VSC-HVDC)领域中,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)凭借其波形质量高、开关损耗小、电压等级易提升等诸多优势成为电压源换流器中最具有发展潜力的一员,也因此成为学者们研究热点。但是在远距离高压直流输电过程中有较高的概率会出现直流故障,且由使用最广的半桥子模块组成的MMC在发生直流故障时,因子模块下端续流二极管,换流器无法通过子模块闭锁来实现直流故障电流的清除,制约了 MMC-HVDC的工业推广。因此如何对半桥子模块进行改进,使其具备直流故障的清除能力是本文的主要研究重点。本文先从MMC拓扑及工作原理进行分析,研究其各级控制策略,并详细分析了传统HBSM-MMC在发生双极短路时闭锁前后的过电流情况。然后对现阶段几种典型的具备直流故障清除能力的子模块进行介绍和分析,为改善这些子模块控制不易、结构复杂等缺陷,本文提出一种采用双向开关的半桥子模块(Half Bridge with Bidirectional Switch Sub-Module,HBBSSM)拓扑结构,该拓扑将半桥子模块下端改为可双向关断的双向开关,故障闭锁后可直接阻断故障电流回路,并且其所含的IGBT数目和半桥子模块一致,结构及控制简单,封装难度小,在满足脉冲触发一致的条件下具有良好的直流故障清除能力。其次,由于HBBSSM非同时闭锁时在直流故障清除过程中,会出现开关器件过电压的风险,本文对其进行改进,继而提出一种采用双向开关的二极管箝位子模块(Diode Clamp with Bidirectional Switch Sub-Module,DCBSSM)拓扑结构,该拓扑通过引入旁路吸收回路,在未满足脉冲触发一致时可很好地解决过电压问题,可大幅减小控制系统难度。本文以最严重的直流双极短路为例,对这两种子模块进行故障清除原理分析和研究,然后利用Matlab/Simulink平台建立了仿真模型,验证本文所提两种子模块拓扑的直流故障清除能力,并在非同时触发条件下进行对比,验证DCBSSM中器件不会出现过电压的有效性。最后对两种子模块进行横向对比,发现各自经济优势,并且对比于其他控制难度较大的具备故障清除能力的子模块,这两种子模块控制简单,工作原理均与半桥子模块完全一致,可完全移植现已成熟的半桥子模块控制系统,节约使用成本。