模块化多电平变流器(modular multi-level converter,MMC)较传统多电平拓扑有结构高度模块化、电压和功率等级可自由拓展、高功率密度、控制结构灵活等诸多优势,自2001年提出以来便受到广泛关注,但在一些特殊应用场合下仍受自身拓扑特性限制。基于此,本文以MMC为研究对象,以矿山高压大功率风机驱动为应用背景,对其系统建模、优化控制方法、安全运行能力以及相关衍生问题展开研究。针对MMC拓扑结构、工作机理、模型建立等相关问题进行研究。讨论MMC主电路拓扑以及子模块结构,介绍其基本工作原理。基于此建立MMC连续域数学模型,分析其交、直流侧以及内部变量间的关联及自身特性,并充分考虑子模块电容电压波动情况对系统内部以及输出品质的影响,建立子模块电容电压波动平均值模型(SCVF-AVM),分析SCVF-AVM与MMC经典连续域平均值模型间的差异性,并就其对系统动稳态特性产生的影响进行验证。针对MMC内外部控制变量较多且相互耦合、多目标协同控制难度大的问题进行研究,提出了一种适用于MMC的FPS-MPC方法,重点围绕经典模型预测控制预测运算过于繁杂以及不同控制目标之间协同优化等方面进行展开。建立MMC离散域数学模型,分析了传统MPC方法应用于时MMC大运算量、开关频率不固定以及子模块控制资源没有充分利用等问题的产生原因。对不同控制目标进行优先级划分,充分利用子模块协处理器资源,降低核心处理器的运算负荷。在FPS-MPC的寻优环节引入安全性约束限定与最优期望电压拾取方法,获得相同控制性能的前提下,大幅度减少了搜索集合内元素数目和预测次数。针对低优先级控制目标问题,提出一种虚拟子模块映射方法,进一步降低子模块投切频率,实现全局最优控制。最后,给出了MMC变流器采用FPS-MPC控制方法时的性能测试结果,包括:稳态性能、动态性能、以及安全性约束限定对比分析等。针对MMC驱动电机过程中存在的低频状态子模块电容电压脉动严重进行研究,提出一种MMC变频优化控制方法。首先,建立MMC能量模型,分析低频状态下子模块电容电压脉动产生原因,回顾了现阶段MMC低频控制方法。针对桥臂能量不均衡、传统低频控制方法损耗大、环流控制器难于设计等问题,提出一种基于偏置电压的低频控制方法(IBCV2),充分利用高频共模电压倍频分量以降低高频环流幅值,并借鉴FPS-MPC思想,通过跟踪期望桥臂偏置电压实现对内部环流高、低频分量的间接控制。针对不同频段子模块电容电压波动情况不同问题,设计高、低频控制模式切换环节,在线实时修正高、低频控制分量,实现MMC变频驱动电机动态过程平滑。同时,实验结果验证了该方法对MMC变频驱动系统的有效性。针对电网不平衡状态下MMC多个控制目标间的矛盾性和相单元能量不均衡问题展开研究,重点围绕“外部控制”和“内部控制”两部分展开。在“外部控制”部分提出一种适用于电网不平衡状态下的灵活电流预测控制方法(FC-MPC),对正负序有功无功电流进行重新描述和归一处理,同时舍弃了传统控制方法繁琐的坐标系变化与正、负序分量并行控制架构,直接对MMC网侧电流进行预测控制;依照系统提出的不同控制目标灵活修正调节因子,实现不同控制目标的快速跟踪与切换。在“内部控制”部分提出一种能量均衡预测控制(EB-MPC),分析相单元能量不均衡产生原因,并对不平衡部分进行补偿控制以实现电网不平衡状态下子模块电容电压均值稳定。MMC多应用于高压大功率严苛场合,提出了较高的系统安全性需求,为此提出一种基于Extend Kalman Filter技术的MMC子模块故障诊断方法。针对传统故障诊断方法观测对象较多、运算量大等问题,选取各相环流为观测变量,建立Extend Kalman故障状态观测系统,对系统状态进行精准监测,避免外部噪声以及过程噪声的干扰,降低误诊现象的产生。基于传统方法只能对子模块开路故障类型定位问题,提出基于端口电压判别的故障子模块定位方法(SPVD),该方法能够快速且精准定位开路、短路不同故障类型子模块所在位置,使故障诊断系统覆盖故障类型更多,检测和定位更加精准。最后,基于三相模块化多电平变流器实验平台,完成本文研究内容的相关实验验证。