作为一种电能变换装置,模块化多电平变流器(Modular multilevel converter,MMC)以其模块化的性质、良好的谐波特性以及冗余特性等优势,广泛应用于高压直流输电工程中。相间环流作为MMC拓扑结构及工作方式所产生的特有的电气现象,直接影响桥臂电流和模块电容电压波动,而桥臂电流及模块电容电压波动直接关系MMC的参数设计、功率器件选型及系统成本。并且由于MMC特殊的结构及应用场合,时常需要面对子模块故障及交流电压不平衡的情况,而在不同的工况下,相间环流的性质也会改变。传统的环流控制策略中,通常将谐波环流抑制为零以保证良好的桥臂电流特性,但谐波注入的环流控制方式也会给系统带来附加的收益。因此,本文以MMC作为研究对象,重点对稳态对称运行、子模块故障以及不平衡网压三种工况下的环流特性进行分析,并对其控制方法展开研究。利用子模块电气量耦合关系推导出电网对称情况下的环流性质及模块电压波动状态。谐波环流抑制为零能够降低桥臂电流峰值,但并不能有效地降低模块电容电压的波动。因此以负序2倍频环流幅值为变量,推导出半桥子模块各个功率器件电流的有效值、平均值及电容电压波动表达式,根据表达式绘制其变化曲线并找到降低模块电压波动的环流幅值最优解。提出直接在负序2倍频dq坐标系下控制环流的幅值,仿真及实验验证了最优环流幅值在抑制模块电压波动上的控制效果。为更简单地利用谐波环流降低模块电压波动,根据开通的模块瞬时能量波动与桥臂所有模块能量波动等效的方式,得到一种利用交流电压、电流瞬时值的谐波环流参考值。实验结果表明了该谐波环流注入方法对抑制模块电压波动的有效性及可行性。对无冗余模块的MMC系统在子模块故障情况下的容错运行和环流控制进行研究。首先,为保证系统在模块故障后仍能维持正常运行,利用改变调制波形状避免故障模块参与调制的思路,提出两种容错运行策略:一种是广义不连续调制;一种是调制波限幅方法。其次,分析了两种容错方法对故障环流的影响。综合容错运行前的故障环流特性,提出一种基于二阶广义积分器的多谐波滤波器的交流环流抑制策略。最后的仿真和实验验证了子模块故障期间两种容错策略的可行性,以及两种容错算法下环流抑制策略的有效性。围绕电网电压不平衡下的环流控制问题展开研究。首先,分析网压不平衡对直流侧功率波动及相间环流的影响。为同时有效地抑制相间环流及直流侧电流的波动,提出使用一种基于多谐波滤波器反馈的谐波环流抑制策略。为了在不平衡网压期间降低模块电容电压波动,提出一种基于正、负序电压、电流矢量计算的谐波环流注入策略。不平衡网压下的仿真与实验验证了谐波环流抑制和谐波环流注入两种环流控制方法的有效性。为比较不平衡电网电压条件下的谐波环流抑制和谐波环流注入的控制效果,分析两种环流控制方法对模块电容能量波动和桥臂电流峰值的影响。首先,分析变流器控制目标和电网电压不平衡度对三相模块电容能量波动和桥臂电流峰值的影响。其次,以单相接地故障为例,利用系统功率纹波、模块能量波动及桥臂电流峰值作为三个约束条件,绘制出三种变流器控制目标下的MMC功率运行范围。最后,在RTDS中搭建CIGRE的800MVA模型,实时仿真结果证明了理论计算的功率运行范围的正确性和有效性,也表明了谐波环流注入策略可以增大系统的功率运行范围。