模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)较传统多电平拓扑具有结构高度模块化、电压和功率等级可灵活扩展、控制灵活等诸多优势,自2001年提出以来便受到广泛关注。本文以大功率电力传动作为应用背景,在对MMC进行建模分析、系统设计、调制策略实现等基本工作的基础上,结合MMC的变频运行和模型预测控制应用两方面内容对其优化控制技术展开研究。论文首先针对MMC进行一些基础工作。讨论MMC的拓扑结构及运行原理;通过推导MMC的连续数学模型,分析其交流侧及直流侧特性。结合搭建实验平台的需要,对MMC子模块电容容值选取方法进行设计;同时为满足MMC中大量开关器件的控制要求,设计基于三级硬件架构的控制器系统。对MMC输出N+1电平和2N+1电平两种相电压的调制方式进行理论推导,并结合子模块统一脉宽调制及载波移相调制两种较适合中压MMC应用场合的调制策略进行具体分析。基于本文设计的MMC实验平台对上述两种调制策略进行实现,验证调制策略理论分析及实验平台设计的正确性。MMC用作交流电机驱动时在低频输出工况存在电容电压波动加剧问题。本文通过对MMC各相上、下桥臂瞬时功率进行建模分析该问题的本质原因,进而从维持MMC各相上、下桥臂瞬时功率动态平衡的角度出发,基于高频共模电压及环流注入方式提出一种低频输出工况下子模块电容电压波动抑制方法。同时,为在低开关频率下优化MMC的输出谐波特性,基于2N+1电平载波移相调制策略和上述低频输出工况下子模块电容电压波动抑制方法设计出一种MMC变频运行控制策略。为优化MMC变频运行效果,研究上述低频输出工况下子模块电容电压波动抑制方法的适用频段及切换方式,以防止该方法用于低频输出以外工况时向MMC引入不必要的高频环流及共模电压,避免对系统产生不利影响。为降低有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)策略用于MMC控制时的计算量,提升其实际应用价值,本文在推导MMC系统离散预测模型的基础上,结合FCS-MPC策略的控制原理分析既有FCS-MPC策略计算量庞大的原因。进而从优化控制目标实现方式和简化滚动优化过程两方面出发对算法进行合理优化,提出一种模型预测控制算法与电压排序算法相结合的快速模型预测控制(fast model predictive control,FMPC)策略,并对该策略的结构及实现流程进行详细阐述。该FMPC策略可在计算量得到大幅优化的前提下满足MMC交流侧电流控制、环流交流分量抑制及子模块电容电压平衡等控制目标的控制要求,同时可有效降低MMC输出电压的dv/dt。同其它FCS-MPC策略一样,FMPC策略的器件开关频率不固定,因此在电流控制度和采样频率不高时电流控制稳态特性不如基于脉宽调制的传统控制策略;而随着电流控制度的增加,FMPC策略的电流控制精度逐渐变强,同时器件平均开关频率呈现出下降趋势。上述特点使得FMPC策略较适用于子模块数量较多的MMC系统。模型预测控制用于MMC整流器的电流控制内环有助于简化系统控制结构,但电网电压不平衡条件下采用FCS-MPC策略会导致系统稳态性能不佳。为改善系统稳态性能,本文向模型预测控制算法中引入调制环节,提出一种能够使器件开关频率固定的调制型模型预测控制策略(modulated model predictive control,M2PC)。同时,根据MMC各相交、直流侧功率平衡设计基于二阶广义积分器的环流控制参考指令获取方法,以保证在电网电压不平衡条件下实现对MMC各相环流的准确控制。在此基础上,以电网电压不平衡条件下维持直流侧电压恒定为控制目标,在αβ静止坐标系下基于M2PC设计MMC整流器优化控制策略。通过对大功率仿真及小功率实验结果进行分析,证明M2PC较传统FCS-MPC在网侧电流控制、MMC内部环流交流分量抑制方面均具有一定优势;基于M2PC的MMC整流器优化控制策略可在电网电压不平衡条件下保证系统获得较好的稳态性能,从而使得MMC整流器直流侧电压稳定。