多电平变换器具有低电压应力、高效率和低谐波输出等优势,在新能源并网、高压输电和电能质量控制等领域具有广阔应用前景。模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)以简洁的拓扑和模块化的结构等优势成为近年来发展最为迅速的一种多电平变换器。与大多数多电平变换器拓扑类似,电容电压不均衡是MMC的关键问题。本文针对模块化电容自均压多电平变换器拓扑、控制及其在电能质量控制中的应用进行深入研究,具体内容包括以下几个方面:首先,本文开展了一种二极管箝位MMC拓扑(Diode-clamped MMC,DCM2C)的研究。该拓扑在MMC的基础上利用二极管和电感串联构成的支路实现相邻模块电容电压的箝位,使桥臂模块电压由上至下按大小依次排列;研究了与载波移相调制相结合的电容电压均衡控制策略,通过调节第一个模块的电压使之跟随模块平均电压值,实现整个桥臂电容电压的均衡;研究了该新型拓扑中针对模块故障的冗余设计方法;分析了箝位二极管和主开关管参数、箝位支路电感量以及模块给定电压等因素对模块均压性能的影响,给出了电路参数的计算方法;搭建了DCM2C实验平台。其次,在DCM2C拓扑的基础上开展了一种并联DCM2C拓扑研究。该拓扑的桥臂由两个带有箝位支路的级联串并联构成,箝位支路将桥臂内将所有模块的电容电压进行闭环箝位,实现了电压的自动均衡,同时该结构具有较强的电流输出能力;建立并分析了桥臂电容电压波动模型,根据桥臂回路的电压方程,研究了桥臂电流平衡控制机理;研究了并联二极管箝位MMC拓扑逆变控制方法;再次,研究了一种基于DCM2C的无功补偿系统。采用静止同步补偿方式向电网注入电流以达到无功补偿目的;分析了无功补偿中负序分量对桥臂有功功率的影响,建立了预充电过程中不可控阶段变换器的等效模型,研究了可控阶段电容充电控制方法;研究了基于DCM2C的无功补偿系统控制策略,该策略根据瞬时无功功率理论对电网中的正、负序电流进行解耦,结合电压均衡控制方法和载波移相调制策略分别对正序无功电流和负序电流进行跟踪控制;最后,研究了一种基于DCM2C的电网电压调节系统。并联DCM2C作为储能型动态电压调节器的逆变装置,以超级电容作为模块的储能单元,并联DCM2C电容自均压特性使超级电容在充放电过程中始终保持电压均衡;研究了动态电压调节系统的三种基本补偿策略,建立了补偿时间与模块数量、电容容量、输出电压幅值以及输出有功功率之间的数学关系模型,研究了一种新型的综合补偿策略,该策略根据电压跌落深度选择不同的方式进行补偿,在保证电压补偿效果的同时,延长了补偿时间。