柔性直流输电(即电压源换流器型高压直流输电,VSC-HVDC)具有换相可靠性高、控制灵活度大、运行损耗较小等优点,是我国实现能源结构转型的重要依托技术之一。作为柔性直流输电系统中的核心部件,柔性直流输电换流器的可靠运行对柔性直流输电技术的应用与推广具有重要意义。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是当今柔性直流输电换流器中的主流拓扑。凭借子模块级联的特殊结构,MMC规避了功率器件直接串联的需求,在降低设计制造难度的同时也提升了输出质量与运行效率。然而,和传统两电平、三电平柔性直流输电换流器相比,MMC中包含更多的功率器件。功率器件是电力电子换流器中最脆弱的元件之一。MMC中大量的功率器件不仅意味着高昂的建设成本,也构成了MMC运行可靠性的一大潜在威胁。因此,功率器件故障的可靠诊断是提升MMC运行可靠性的重要途径。功率器件故障主要包括器件短路故障和器件开路故障两类。器件短路故障具有时间尺度短、破坏效应强、安全隐患大的特点,主要通过硬件保护进行处理。和器件短路故障不同,器件开路故障的故障特性因换流器拓扑不同各异。由于MMC结构特殊,其开路故障特性也与传统两电平、三电平柔性直流输电换流器差异较大。与此同时,MMC中包含的大量功率器件不仅增加了器件开路故障诊断的难度,也为建立器件开路故障诊断新思路提供了可能。在深刻认识MMC器件开路故障诊断特殊性的情况下,本文将诊断深度划分为换流器级、子模块级和功率器件级。在此基础上,本文深入分析了MMC的器件开路故障特性,并结合MMC结构特点提出了不同诊断深度下基于统计分析的MMC器件开路故障诊断方法,取得的主要成果包括:首先,提出了基于单环定理的换流器级半桥型子模块开路故障诊断方法。子模块电容电压一致性被破坏可作为半桥型子模块开路故障的发生信号。为高效评估MMC中大量子模块的电容电压一致性,提出了基于单环定理的半桥型子模块开路故障诊断方法。该方法可在不需要额外硬件资源的情况下,实现多工况下器件开路故障的有效诊断。受益于其统计特性,该方法对系统参数不确定性不敏感,具有优异的可靠性。其次,建立了MMC器件开路故障诊断与异常值分析的联系,提出了基于分位数分析的子模块级/功率器件级半桥型子模块开路故障诊断方法。基于半桥型子模块电容电压一致性将被破坏的故障特性和MMC包含大量子模块的结构特点,揭示了MMC器件开路故障诊断可等效为异常值分析的内在规律,提出了基于分位数分析的子模块级故障诊断方法。进一步地,从统计角度重新认识了半桥型子模块开路故障特性,得出了电容电压分布特性可用于判别故障功率器件的结论,提出了基于分位数分析的功率器件级故障诊断方法。所提出的子模块级/功率器件级半桥型子模块开路故障诊断方法具备优秀的可靠性、兼容性和执行效率,是故障在线诊断的理想选择。再次,挖掘了有利于故障诊断的全桥型子模块开关序列组合,提出了基于分位数分析的全桥型子模块开路故障诊断方法。深入分析了全桥型子模块在器件开路故障下的换流情况。在此基础上,基于全桥型子模块存在冗余开关序列的特点,探索了全桥型子模块在不同开关序列组合下的器件开路故障特性,发掘了有利于故障诊断的全桥型子模块开关序列组合,可在不影响全桥型子模块正常工作的情况下保证故障诊断的可靠进行。基于全桥型子模块的器件开路故障特性,提出了基于分位数分析的全桥型子模块开路故障诊断方法,实现了多工况下全桥型子模块器件开路故障的高效诊断。最后,归纳了单环定理、分位数分析在MMC故障诊断中的有效前提,凝练了统计分析法在MMC故障诊断中的通用执行准则。以硬件组成和控制结构为参考,将MMC中的故障划分为子模块级、桥臂级、相单元级和换流器级四个级别。在此基础上,以构建统计样本为重点讨论了单环定理和分位数分析在各级别故障诊断中的应用细节,归纳了单环定理和分位数分析在MMC故障诊断中的有效前提。进一步地,凝练了统计分析法在MMC故障诊断中的通用执行准则,为探索新型的统计分析故障诊断方法提供了思路和灵感。本文以柔性直流输电系统MMC换流器的可靠性提升为研究目标,聚焦于MMC故障诊断,提出了多种基于统计分析法的MMC子模块开路故障诊断方法,并初探了统计分析法在其余MMC故障诊断中的应用,为MMC故障诊断提供了全新的视角。最后,在61电平MMC仿真平台/13电平MMC实验平台上验证了理论分析的正确性和所提出方法的有效性。