模块化多电平换流器(MMC)作为一种新型换流器拓扑结构,具有模块化程度高、输出电能质量好、功率器件耐压要求低等优势,近年来在高压直流输电、新能源发电并网以及多端柔性直流输电等领域应用较为广泛。由于模块化多电平换流器子模块数量较多,增大了子模块发生故障的概率,因此子模块故障的快速诊断和准确定位是换流器持续不间断运行的重要保障。本文首先介绍了MMC的运行原理、调制策略、电容电压平衡控制策略,并采用改进的载波移相脉宽调制作为系统的控制策略。针对MMC内部环流分量对故障检测造成的不利影响问题,通过理论分析推导环流产生的机理,并设计并联准PR控制器实现对环流二倍频和四倍频分量的抑制。然后,介绍了几种常见的子模块故障类型以及故障后的冗余容错控制方案,针对子模块故障,对故障后的故障特征进行了分析,提出一种基于桥臂电流畸变的故障诊断方法,实现故障桥臂和故障类型的准确判断。利用MMC系统输入和输出变量,设计针对子模块电容电压的自适应观测器,通过理论分析证明系统能观性,并对观测器参数进行了设计,根据故障后数学模型的改变,通过子模块电容电压观测值和实际值残差的比较判断,实现故障子模块的准确定位。利用仿真软件MATLAB/Simulink搭建仿真平台,验证了环流抑制策略和故障诊断定位算法的正确性。最后,设计了MMC样机硬件架构,分析了主电路参数的选取原则,并针对子模块各个功能分区进行了详细设计,在实验室条件下完成了MMC子模块硬件测试,验证了其基本功能的实现。