近年来,模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)凭借其功率器件开关频率低、等效开关频率高、交流输出电压谐波小、模块化程度高等优点,在高压大功率场合特别是高压直流输电场合得到了广泛的关注与应用。但是,MMC桥臂上大量的级联子模块也为整个系统的运行带来了安全隐患。因此,本文以半桥型子模块结构的MMC拓扑为研究对象,围绕子模块故障下的MMC的运行特性和相关控制技术展开了分析研讨。第一,围绕子模块故障下的MMC稳态数学模型展开了研究。首先,阐述了MMC的基本拓扑结构与工作原理,在此基础上,分析了MMC在正常工作时可能诱发子模块发生故障的几种常见原因,以及其故障后对整个系统正常工作可能造成的影响;然后,以平均开关状态模型为基本出发点,通过引入各个桥臂的子模块故障数目作为变量,建立了适用于不同子模块故障类型下系统稳态特性分析的数学模型;最后,基于该模型对不同子模块故障类型下MMC的稳态运行特性进行了系统的对比分析与总结。第二,围绕子模块故障后系统模块单元的隔离方案和容错控制策略展开了研究。首先,对现有的几种子模块故障下的模块单元隔离方案进行了细致的总结与对比分析;进而,为了能够既减少子模块故障后的模块旁路数量,同时也适当减轻整个容错控制系统架构的复杂程度,提出了一种基于部分对称旁路法的容错控制策略,并分别分析了其在载波移相和载波层叠两种不同调制算法背景下的实现方式,同时指出了基于传统比例谐振(proportional resonant,PR)控制方式的环流抑制器在该种容错控制方案下的应用优势。最后,针对该控制策略的有效性进行了相关仿真与实验验证。第三,围绕中性点偏移控制在MMC子模块故障容错控制中的应用展开了研究。首先,对传统中性点偏移控制在多电平换流器容错控制中的应用优势进行了论述,并通过对其基本数学原理和实现方式进行分析,指出了其在MMC系统中实现时存在的缺陷;然后,针对MMC型拓扑的子模块故障,为避免传统中性点偏移控制中对偏移参数表的繁琐计算,同样以保证子模块故障后的线电压平衡为控制目标,提出了一种MMC子模块故障时中性点移位(Neutral-point shift control,NPSC)容错控制策略,并分析了 NPSC对系统运行特性的影响,指出了该种控制方式下的系统直流电流与桥臂工频电流的分配特性。最后,通过仿真和实验对理论分析结果和控制策略进行了验证。第四,围绕子模块故障下的MMC环流抑制策略展开了研究。首先,根据子模块故障下的MMC稳态数学模型,对子模块故障下MMC内部环流的谐波特性进行了梳理,指出了子模块故障下的环流控制目标;然后,针对子模块故障后系统稳态运行下的环流抑制问题,提出了一种基于准PR控制的子模块故障通用容错环流抑制器(general fault-tolerate circulating current suppressor,GFCCS),实现 了不同子模块故障类型下环流抑制,减少子模块故障下MMC容错控制系统的设计负担,仿真与实验也验证了 GFCCS的有效性;最后,为了解决子模块故障暂态时刻环流控制器在控制系统中的响应性问题,提出了一种包含"虚拟电阻"前馈补偿环节的子模块故障容错环流抑制策略,使得子模块故障时刻的直流电流以及环流的冲击得到快速、有效的限制,优化了整个系统的性能,并同样通过仿真与实验对该环流抑制策略的有效性进行了验证。