近十年来,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)因其模块化结构能降低耐压要求、提高输出电压的质量以及其具有可调节的冗余等优势被广泛用于高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)领域,基于模块化多电平换流器的高压直流(MMC-HVDC)输电已成为海内外学者的研究热点。决定MMC-HVDC能否稳定运行最重要的两个因素是MMC的子模块均压问题以及MMC-HVDC的直流侧故障清除问题。子模块间的电容电压不平衡会导致直流侧的电压波动进而影响电力输送的稳定性,还会使MMC中形成相间环流导致功率器件发热,产生过大损耗,影响其使用寿命。MMC所采用的传统半桥型子模块(Half Bridge Sub-Module,HBSM)拓扑结构简单,但在MMC-HVDC的直流侧发生短路故障时无法清除故障电流,严重制约了MMC的应用。首先,介绍三相MMC以及HBSM的拓扑结构,探讨子模块的六种工作模式以及三相MMC的运行原理;推导三相MMC的数学模型,得出反映MMC外部特征的交流侧等效电路与反映内部特征的直流侧等效电路,得到已成熟应用于两电平换流器中的双闭环控制也可移植到MMC的控制系统中的结论。列举五种常用的MMC调制方法,分析其调制原理,优缺点以及适用的场合。其次,由于传统冒泡排序算法存在计算量大、产生结果时间长以及可能会导致均压失败以及传统的子模块电容均压策略会使子模块电力电子器件的开关频率过高、开关损耗大、影响使用寿命等问题,提出了二进制基数快速排序算法与优化的电容电压平衡策略。二进制基数快速排序算法结合了基数排序与快速排序的优势,其逻辑简单,计算量小,排序速度快。优化的电容电压平衡策略具有可以灵活地降低开关频率的作用,可以降低开关损耗,延长器件使用寿命。通过在Matlab/Simulink中搭建10电平的MMC-HVDC仿真模型验证了其有效性。最后,由于传统子模块拓扑结构不能清除直流侧故障,而已有文献提出能够实现直流短路故障自清除的子模块拓扑结构仍存在着结构复杂、增加功率器件过多及成本过高等问题,提出一种新的正反交替串联双子模块拓扑结构,通过改变传统子模块连接方式而不增加功率器件的方式清除直流侧故障。通过在Matlab/Simulink中搭建21电平的MMC-HVDC仿真模型以及与其他拓扑进行成本对比分析验证了其有效性和经济性。