随着光伏、风电等新能源接入并网,以及城市配电网扩容、孤岛负荷供电等问题的出现,使得柔性直流输电技术具有广阔的应用前景。德国学者Rainer Marquardt于2002年首次提出模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)扑结构,该拓扑因其模块化设计、良好冗余性及输出谐波低等优点成为新一代柔性直流输电技术的核心设备。经过十几年发展MMC研究取得较大进展并在实际工程中得到应用。尽管MMC的研究已取得较大进展,但仍有许多问题值得进一步探索。本文以MMC换流器作为研究对象,从以下几个方面对其进行研究：(1)研究了MMC的拓扑结构和基本工作原理,针对三相MMC主电路建立了数学模型,同时建立了基于RT-LAB的半实物系统,详细描述了MMC硬件系统设计和RT-LAB系统建模,为后续控制策略的研究建立实验基础。(2)对比分析了适用于MMC的各类调制方式的优缺点,并重点对载波移相和最近电平逼近调制进行深入研究。详细分析了载波移相角和电平数的关系,给出n+l电平和2n+1电平实现方式,并推广到载波层叠和最近电平逼近调制(nearest level modulation, NLM)方式下。改进的NLM调制即通过逼近不同调制波实现2n+1电平输出,在模块数较少时NLM仍适用。最后通过仿真和实验验证了上述分析的有效性和可行性。(3)对电容电压波动机理进行详细分析,指出电容电压波动幅值与交直流侧电流和调制比成正比,与基波频率和电容容值成反比。结合不同的调制策略给出不同的均压控制方法。在载波移相调制方式下采用了一种电容电压分级控制的方式。结合载波层叠调制(Carrier Disposition SPWM, CD-SPWM)和NLM调制改进了传统的排序均压控制方式,在投入模块数目不发生改变时,使上一个控制周期内投入的子模块(SubModule, SM)在下一个控制周期内尽可能投入,从而降低不必要的开关投切。仿真和实验表明优化后的均压并没有导致模块电压波动增大,但却降低了开关状态的切换。(4)围绕相间环流分析及抑制方法展开研究,首先对MMC相间环流在正常和子模块无冗余故障工况下进行数学建模。指出相间环流以二倍频负序为主。而在故障工况下三相间的二倍频环流并不成负序对称关系,因此给出一种采用二阶广义积分器(second order generalized integrator, SOGI)+低通滤波器的方式提取谐波分量,并基于准PR控制器环流量进行抑制。同时对不同工况下,有无环流控制进行仿真及实验。对于MMC系统在交流调速领域应用时出现的问题,通过控制高频环流量实现MMC系统在低频下的正常工作,并结合相关仿真及实验进行验证.