模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)避免了开关器件的直接串联,具有低谐波、可冗余、易扩展的优点,因此随着柔性直流输电工程直流母线电压等级的提高,MMC逐渐取代了传统两电平和三电平变换器,成为柔性直流输电变换器中的主流拓扑。但是与两电平和三电平变换器相比,MMC中包含更多的开关器件和大量的悬浮电容。子模块电容电压的平衡问题成为了MMC控制技术的一大挑战。同时,作为电力电子变换器中最容易发生故障的元件,由电容和开关器件损坏引发的变换器故障占比之和超过了60%。因此,研究MMC子模块电容电压的平衡方法以及子模块电容、开关器件健康状态的在线监测方法具有十分重要的意义。本文着重分析了模块化多电平变换器在最近电平调制策略(Nearest Level Modulation,NLM)下的工作特性,详细探讨了最近电平调制下工频开关驱动信号的充放电特性,并基于此提出了高效的子模块电容电压平衡方法、子模块电容容值的在线估计方法以及一种子模块开路故障检测方法。论文的具体研究内容如下:首先,提出了一种基于工频排序的电容电压平衡方法,降低了电容电压的排序频率,避免了子模块的额外开关动作。从NLM驱动信号净电荷转移量的角度出发,揭示了各路驱动信号在工频周期时间尺度下对子模块电容的充放电规律,提出了一种以工频周期为控制周期的电容电压平衡方法。该方法在一个工频周期内仅对子模块电容电压进行一次排序操作,并根据电压排序结果和驱动信号的充放电能力大小为子模块分配适当的驱动信号,有效地降低了电容电压排序操作的执行频率,并且避免了传统高频排序平衡方法带来的额外开关动作,降低了MMC的开关损耗。其次,提出了一种子模块电容容值的在线估计方法,实现了MMC子模块电容健康状态的实时监测。建立了驱动信号开关角、电容电压变化量以及电容容值间的数学模型,以子模块电容电压在一个工频周期中的直流变化量作为输入量,提出了一种子模块电容容值的在线估计方法,实现了MMC子模块电容健康状态的实时监测。进一步地,采用递归最小二乘法对子模块电容容值进行最优估计,减小了各类干扰对电容容值估计的影响。所提方法排除了MMC桥臂环流以及电容电压低频波动对估计结果的影响,既不需要向桥臂电压或桥臂电流中注入低频分量,也不需要采集子模块电容的电流信息,具有较低的算法复杂度和较高的估计精度。再次,提出了MMC子模块电容容值的一致性评估方法和一种计及容值一致性的修正工频排序平衡方法,改善了MMC在子模块电容容值差异时的电压平衡效果。针对MMC的实际应用中子模块电容老化速度不同的问题,论文分析了子模块电容容值不一致对工频排序平衡方法下电容电压收敛情况的影响。进一步地,提出了一种基于分位数分析的电容容值一致性评估和异常容值检测方法,并在此基础上提出了一种计及子模块电容容值一致性的修正工频排序平衡方法。该方法以桥臂电容电压整体波动最小为目标,选取最优的驱动信号分配方式,保证了MMC在某些子模块电容容值存在较大差异时依然可以保持良好的电容电压平衡效果,并减小了容值异常子模块的电容电压波动。最后,提出了一种基于电容电压变化量观测的子模块开关器件开路故障诊断方法,实现了子模块开路故障的快速检测与定位。针对MMC子模块开关器件开路故障,分析了开路故障下子模块电容电压的行为特征,揭示了开路故障子模块电容电压将升高的故障特点。结合工频排序平衡算法的技术优势,并以驱动信号的充放电能力为参照,提出了一种基于电容电压工频周期变化量观测的子模块开关器件故障诊断方法,在不增加额外的硬件电路、不检测桥臂电流等状态信息的情况下,同时实现开路故障的检测和故障子模块的定位,具备简单、高效的特点。本文以MMC换流器为研究对象,在详细分析NLM工频开关驱动信号充放电特性的基础上,围绕驱动信号的净电荷转移量以及子模块电容电压的工频周期变化量,提出了一组MMC控制方案,实现了MMC子模块电容容值的在线估计、子模块开路故障的快速诊断以及在子模块电容容值一致和容值不一致两种情况下电容电压的平衡控制,有效地提高了MMC运行的可靠性。同时,本文在Matlab/Simulink仿真平台、9电平三相实验样机上对所提控制方法的有效性进行了验证。