多端柔性直流电网以其灵活、经济、可靠等特点成为解决大规模新能源并网和多个交流异步电网互联的有效技术手段,是为未来电网升级和变革的重要方向之一。模块化多电平换流器(Modular multilevel converter,MMC)因具有模块化程度高、损耗低、交直流侧无需滤波器等特点,成为构建多端柔性直流电网的关键设备。然而,与传统两电平换流器相比,MMC具有极为复杂的内、外部动态行为,给控制系统的设计带来极大的挑战。另外,目前常规的MMC(基于半桥子模块构建的MMC)主要存在以下两个缺点:一是子模块电容值较大,增加了换流器的体积和成本,降低了换流器的功率密度;二是自身不具备直流故障处理能力,完全依赖于对性能要求极高且成本昂贵的高压直流断路器。如何克服上述两个缺点以及设计优化的控制系统是MMC亟待解决的关键技术问题。本文针对这些关键技术问题展开深入研究,主要内容如下:1)考虑MMC复杂的内部动态行为及直流侧含有较大电感的工况,建立了完整的MMC动态数学模型,在此基础上,系统性地设计了内、外部动态解耦的全动态控制策略,并且给出了相应的控制器参数设计方法。解决了MMC在直流侧含有较大电感时电流控制不解耦、直流侧电流动态特性差等问题。通过仿真验证了理论分析的正确性和所提全动态控制策略的有效性。2)研究了不对称工况下MMC的优化控制。针对上、下桥臂阻抗不对称的工况,揭示了异常现象产生的机理,提出了优化的控制策略,消除了直流侧电流中的基频振荡分量和交流侧电流中的直流分量,使得MMC的交、直流端口特性不受换流器内部桥臂阻抗不对称的影响。针对交流电网电压不对称的工况,建立了精确的MMC动态模型,在此基础上提出了优化的控制策略(兼容电网对称的工况),改善了MMC在不对称交流电网下的内、外部动态和稳态特性,可使得MMC在交、直流电网间起到“防火墙”的作用。通过仿真和实验验证了理论分析的正确性和所提优化控制的有效性。3)研究了大幅减小子模块电容容值的MMC优化控制方法。建立了子模块电容电压纹波的数学模型,提出了基于注入二倍频环流和三倍频共模电压的电容电压纹波降低方法,该方法通过将电容电压纹波由低频搬移至较高频来达到大幅减小纹波幅值的目的。在此基础上对子模块电容容值进行了优化设计,可在不增加损耗的同时将电容容值减小38%。为确保采用最小电容的MMC在不对称交流电网和暂态故障等工况下仍能满足性能要求,提出了MMC电容容值最小化控制方法(包括纹波控制、电容电压峰值控制和扰动功率前馈补偿控制)。通过仿真和实验验证了理论分析的正确性和优化方法的有效性。4)研究了混合型MMC的优化设计与直流故障穿越控制策略。综合比较成本、损耗、直流故障限流能力、控制复杂度和封装复杂度等五个方面,得到具备直流故障处理能力的混合型MMC拓扑,并考虑暂、稳态工况对半桥和全桥子模块混合比例以及电容容值进行了优化设计。提出了直流故障下基于基频共模电压和负序电流注入以及扰动功率前馈补偿的电容电压优化控制方法,能够保证子模块电容在故障期间不发生过压。另外,基于MMC直流侧兼具电压源与电流源特性的特点,设计了快速清除故障电流的控制策略,并系统地提出了直流故障下混合型MMC的优化控制方法(兼容电容容值最小化控制)。5)研究了基于混合型高功率密度MMC构建的多端直流电网的直流故障穿越策略。将混合型MMC与直流高速开关、多端直流电网保护系统进行适配,设计了直流故障检测、定位、清除、隔离与功率恢复的时序,提出了完整的多端直流电网直流故障穿越策略。通过仿真验证了所提直流故障穿越策略的有效性。