随着海上风电场规模的不断增大，全直流风电场成为海上风电场的发展趋势。模块化多电平变流器(modular multilevel converter，MMC)具有模块化程度高、电压等级易扩展、控制灵活等优点。基于MMC结构的模块化风电并网变流器可实现风电机组经一级电能变换并入中高压直流电网，适用于海上全直流风电场。本文主要就模块化风电并网变流器应用中存在的几个关键问题进行研究。
　　首先，从风轮的运行特性出发，分析了风能利用系数的影响因素，并建立了风轮功率特性的数学模型。结合永磁同步电机的运行特点，建立其在不同坐标系下的数学模型。对MMC的拓扑结构进行介绍，分析了子模块不同运行模式下的特点，并建立了MMC的数学模型。
　　随后，从MMC桥臂吸收能量波动入手，推导得到子模块电压波动表达式。针对子模块电压低频波动大的问题，详细分析了高频注入法抑制子模块电压波动的原理，并推导得到两种不同注入方案下注入的共模电压和环流的表达式。在此基础上设计了模块化风电并网变流器的控制策略，并通过仿真对比了不同注入方案的控制效果。
　　再次，对混合调制策略的原理及其实现步骤进行详细介绍，并提出采用子模块电压累加逼近调制波的方法，消除子模块电压波动带来的调制偏差。分析了混合调制策略功率器件开关频率较高的原因，提出在脉宽调制(pulse width modulation，PWM)环节采用直角三角形载波，在最近电平逼近调制(nearest level modulation，NLM)环节采用子模块最大电压偏差排序法，有效降低了功率器件开关频率。通过仿真对比了不同调制策略的调制效果，验证了所提出的调制策略的有效性。
　　最后，针对传统MMC子模块数量较多的问题，提出了一种半桥型MMC串联风电并网拓扑结构。为了实现高频共模电压的注入，设计了一种新型单相半桥型MMC结构，并详细介绍了其采用高频注入法抑制子模块电压波动的原理。在此基础上设计了半桥型MMC串联风电并网拓扑结构的控制策略，并通过仿真验证了所提出的拓扑结构及其控制策略的有效性。