模块化多电平换流器(MMC)由于模块化易扩展、冗余特性好、输出谐波含量低、功率器件开关频率低[1-5]等,成为近年来的研究热点。在工程中,为了实现高压大容量、输出波形质量高等目标,MMC一般需要几十甚至上百个子模块级联,这就带来了一系列难点。其难点[6-10]主要包括:1)单一控制器难以处理MMC的控制问题,需要用多控制器协调控制的方法实现控制策略,同时需要可靠、高速、大容量的通信方式将控制器连接起来进行数据通信,造成多控制器协调控制难度增大。2)子模块与控制器之间既要通过高速通讯以达到实时控制的目标,同时还要实现各个控制器之间载波信号的精确同步,这就造成控制系统的复杂度和成本都大大增加[11]。本文首先详细分析了对MMC的拓扑结构和工作原理,推导了MMC正常工作时上下桥臂电压、上下桥臂电流、环流、交流输出电压及和交流输出电流之间的关系,给出了共模等效模型和差模等效模型,重点分析了NLM调制的MMC调制策略,详细介绍了Ether CAT技术的工作原理及分布时钟功能。其次分析了桥臂子模块电容电压波动与桥臂二倍频环流[11]的产生机理,推导了不同工作情况下的MMC能量流动形式,构建了通用数学表达式,并依据理论分析与推导,构建了外能量环控制器、内能量环控制器[12]、二倍频环流控制器等。本文引入实时以太网EtherCAT通讯技术[13],提出一种基于EtherCAT总线技术的MMC系统控制方案,并设计了一台九电平MMC实验平台样机。本文主要介绍:MMC硬件系统设计和软件控制方案。其中硬件系统设计主要包括MMC硬件系统框架设计、控制系统电路设计、主电路设计。软件控制系统设计包括ETherCAT方案时序分析、通讯协议以及上述两层控制器的软件设计。在此实验平台的基础上,进行了基于载波层叠调制策略、上下桥臂能量和与能量差控制算法以及桥臂子模块电容电压排序法的并网实验,实验结果表明了方案的可行性。