随着风能、太阳能等可再生能源发电技术的广泛应用,对于高压远距离输电提出了更高的要求。多电平拓扑结构由于其对于器件的应力要求低,输出波形质量高等优点,成为解决高电压、大功率电能变换的有效手段。模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)由于其独特的模块化结构、良好的扩容特性、针对于电网的不平衡运行能力、故障保护能力等多方面的优势,其在众多的多电平变换器拓扑中脱颖而出,在直流输电领域得到了广泛应用。此外,MMC近些年来在其它领域也逐渐得以应用,如电机驱动、静止无功补偿、电气牵引、分布式发电等。本文首先介绍了MMC的国内外研究现状,对其拓扑结构、工作原理进行了分析,得出了其交直流侧等效模型;并介绍了当前应用于MMC的调制策略,对比了它们的优缺点。在此基础上,对MMC的电压控制方案与环流抑制方案进行了深入研究。在电压控制方面,分析了启动过程中的电压控制和稳态情况下的电压平衡问题。基于能量控制的原理,提出了一种应用于单相MMC系统的启动方案,该方案可以分为两个阶段,不控整流阶段与能量控制阶段;能量控制阶段,主要是利用上下桥臂的能量之和与能量的差值去控制上下桥臂子模块的电容电压,详细分析了启动过程中能量的转换过程。对于MMC稳态运行,介绍了稳态下的桥臂级与子模块级的电容电压平衡方案,并且分析与研究了一种基于改进的最近电平逼近调制策略的选择投切机制,桥臂在每一个控制周期,只动作一个开关管,该开关管是以PWM方式进行投入或切除,在保证电容电压良好的平衡度下对于开关器件开关频率的优化。在环流抑制方面,本文分析了环流的产生机理,在充分考虑子模块电容电压波动的基础上,分析了环流谐波中不同阶次的耦合情况,推导了详细的稳态下的环流模型,在此基础上使用陷波器对2倍频环流分量进行单独提取,并设计了PR环流抑制器,取得了良好的抑制效果。最后搭建了单相16个模块的MMC实验平台,设计了平台的数字控制系统。通过实验验证了本文提出的启动方案、电压平衡控制投切机制以及环流抑制方案的可行性。