近年来,随着电力电子技术在电机驱动、无功补偿、有源电力滤波和分布式发电等场合的成功应用,高压大功率电力电子设备的研究与开发正受到国内外学者的广泛关注。多电平拓扑结构基于其低应力、谐波含量低等特性,正成为解决高压功率变换问题的有效手段。在众多的多电平拓扑结构中,模块化多电平变换器(MMC),得益于其模块化特征、良好的电压/功率扩展能力、输出谐波含量低、好的冗余特性及灵活的前端配置等优势,被认为是未来最典型的应用于高压场合的电力电子变换拓扑之一。首先,本文对MMC的工作原理及其硬件设计方法进行了分析,对目前常用的调制策略、电压平衡技术做了全面的阐述,并对它们的适用范围和工作特性进行了比较,然后基于仿真模型和实验模型进行了验证。文中在充分考虑了子模块电压扰动的基础上,建立了MMC的精确的环流模型,并基于该模型系统分析了环流不同阶次之间的耦合效应,及环流谐波的等效控制模型。在分析了传统的基于二次谐振方法的环流谐波抑制技术的基础上,进一步提出了基于嵌入式重复控制的环流谐波完全消除方法。文中详细讨论了控制器的工作原理以及稳定性分析,并基于样机电气参数进行了详细的环流控制器设计,并给出了采用不同环流抑制方法时的仿真和实验比较结果。最后,考虑到子模块数量较大时,通信和控制系统的复杂性和传输延时带来的实时性问题,本文提出了基于电压观测方法的无模块电压反馈控制策略,以削弱这种不利影响,降低设计成本和提高控制系统的实时性能。文中对电压控制的稳定性和电压观测的稳态精度进行了系统分析,并给出了仿真和实验的验证结果,结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。