电力电子技术的快速发展为建设环保、高效、坚韧的智能电网打下坚实的基础,极大地促进了柔性交流输电(FACTS)和高压直流输电(HVDC)的发展。以模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)为代表的多电平换流器具备模块化设计、交直流输出波形质量高、传输容量大、有功无功解耦控制、能够向弱系统或无源网络供电、可靠性高等一系列优点,被公认为是下一代高压换流装置,必将被广泛应用于柔性直流输电系统。本文在总结前人研究成果的基础上,重点研究以MMC为代表的多电平换流器在柔性直流输电领域应用的关键问题。MMC中包含大量电力电子开关器件,具有离散化、非线性等特点。以MMC拓扑结构为基础,忽略电力电子器件开关过程,利用基尔霍夫定律建立了交、直流等效模型。研制了一台49电平、380V的MMC实验样机,控制系统按照35kV样机设计,能实现288个子模块的触发、测量和保护功能。子模块的调制均压是MMC稳定运行的前提条件,目前在柔性直流输电工程中,应用前景最好的调制策略是最近电平逼近调制(Nearest Level Modulation, NLM),其原因是具有实现简单、开关频率低、损耗小等优点。针对NLM输出电压电平数较低、谐波含量较大的问题,提出能产生2N+1电平的改进NLM调制策略,在具有传统NLM优点的基础上将交流电压的输出电平数提高了近一倍。同时,提出了另一种零误差NLM调制策略,能消除由于子模块电压波动导致的输出电压与参考电压之间的误差,有效抑制了该误差导致的相间二倍频环流,从而在调制层面解决了相间环流问题。基于MMC的柔性直流输电系统在不同工况下的控制策略各不相同。研究了在交流系统对称下,换流站级和系统级的控制策略。换流站级采用前馈交叉解耦和反馈线性化解耦的方法均能实现有功无功的解耦控制,系统级控制则根据连接交流系统的强弱来决定有功无功的控制量。交流系统发生不对称故障时,分别研究了正负序分解控制策略和基于比例谐振控制器的控制策略,前者通过负序控制环抑制不对称故障产生的负序电流,后者根据内模原理设计比例谐振控制器来控制故障电流。柔性直流输电系统电压等级高、输送功率大,所需的子模块数量多达几百上千,传统集中式控制器的芯片处理速度、引脚数量可能难以满足要求。针对这一问题,设计了“主控制器+桥臂控制器”的双层控制器结构,再将桥臂控制器分成“中央控制单元+组控单元”的分布式结构,每个组控单元管理若干数量的子模块,中央控制单元负责组控单元间的均压等问题。这样的控制结构有效解决了控制芯片容量超标问题,而且可以根据子模块数量改变组控单元的数量,实现模块化管理,灵活方便。MMC的模块化结构使其具备了子模块冗余保护的功能,不同的冗余配置方案效果不尽相同。经过分析比较,系统正常时冗余子模块采用热备用状态,子模块故障时直接旁路故障子模块的方案最为方便、经济,同时带来的问题是MMC上下桥臂子模块数不相等,系统处于不对称运行状态。针对这种工况,提出了基于能量平衡的子模块冗余容错控制策略,提高故障桥臂子模块电压以保证所有桥臂子模块中的能量均衡,消除了桥臂不对称运行导致的直流电流中的波动分量。不同类型的MMC多电平换流器发展迅速,另外还研究了具备直流故障阻断能力的基于IGBT换向的桥臂轮换多电平换流器(IGBT-AAMC)的工作原理、调制策略和直流故障穿越技术,同时,提出一种采用晶闸管(SCR)替换IGBT的桥臂轮换多电平换流器(SCR-AAMC),研究了其换向原理,并对SCR-AAMC与MMC在器件数量方面进行了详细对比,结果显示SCR-AAMC在成本方面比MMC略有降低。