模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)因其突出的结构和技术优势,克服了传统两电平和级联多电平变换器的缺点,被广泛应用于高压大功率领域,是目前最具应用价值和发展前景的高压大功率变换器之一,但模块化多电平变换器存在子模块数量多,自身可靠性较低的问题。本文以最基本的子模块为半桥结构的模块化多电平变换器为研究对象,以提高其运行可靠性为研究目标,围绕子模块功率器件故障诊断、子模块故障容错控制和高可靠性子模块拓扑结构等几个关键技术进行了深入的研究。本文所完成的主要工作包括:(1)分析了模块化多电平变换器基于模型的故障诊断方法及其鲁棒性问题。针对基于模型的故障诊断方法存在的鲁棒性问题,提出了基于增量预测模型检测故障环流特征进而判断故障,再通过比较电容电压值与桥臂子模块电容电压均值之间差值而定位故障的故障诊断方法。建立了环流的增量预测模型,提出了环流预测误差矫正、多步预测及三段式误差补偿方法以消除由模型参数不准确、采样误差和外部干扰造成的检测结果偏差,给出了故障诊断参数的设计原则。仿真和实验结果验证了基于环流增量预测模型的故障诊断方法具有鲁棒性强的优点。(2)分析了故障诊断存在的快速性问题,提出了一种快速的故障诊断策略,故障检测采用基于桥臂电流的增量预测模型的方法,通过比较桥臂电流预测值与测量值的差值是否大于阈值来判断故障,故障定位采用比较子模块电容电压斜率的方法来定位故障。该故障诊断策略可以快速的定位多个子模块故障,且无需外加传感器,结构简单易实现。仿真和实验结果验证了该诊断策略的可行性。(3)针对无冗余子模块模块化多电平变换器的子模块故障问题,提出了一种基于固定计算次数的无冗余子模块MMC模型预测故障容错控制策略,该策略包括交流电流优化控制、多目标优化控制和子模块电容电压平衡控制方法。该控制策略分为三步,首先对交流电流进行优化控制,其次对环流和交流电流进行多目标优化控制,最后采用一种结合电平差值和桥臂电流方向进行排序的方法平衡子模块电容电压。该故障容错控制方法只需要8次预测迭代即可找到最优解,大大减少了计算量。仿真和实验结果表明该策略不仅可以保证MMC正常工作状态下的稳定运行和很好的输出特性,而且在发生子模块不对称故障时可以保持系统的输出特性和稳定运行。(4)针对现有的MMC子模块存在的桥臂直通故障问题,提出了一种具有上下开关管直通能力的子模块拓扑结构,该拓扑结构由半桥电路、箝位电路和能量转移电路三部分组成。箝位电路保证了子模块电压的稳定输出,能量转移电路保证了子模块电容的充放电平衡。该拓扑结构不仅允许上下开关管直通,而且不需要电容电压平衡控制策略,具有自平衡能力,简化了系统的结构和软件计算量。针对该子模块拓扑结构的可行性进行了仿真分析和实验验证,研究表明所提出的基于新型子模块拓扑结构的MMC不仅可容许子模块桥臂直通,而且无需采用环流抑制措施即可实现低交流环流运行。