模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是近年来提出的一种新型多电平技术,因其结构高度模块化、具有公共直流母线和输出谐波性能良好,在高压大功率场合得到了广泛应用。本文以MMC作为研究对象,围绕MMC工作机理与关键元件参数设计、电容电压控制策略、电容电压滑模观测以及系统设计方案等方面进行了研究。对MMC主电路及子模块的拓扑结构和工作原理进行分析,并在此基础上建立了MMC单相等效数学模型。从桥臂能量脉动角度出发,推导出子模块电容的选取原则,通过对MMC内部环流的分析,得到指定二倍频环流大小下的桥臂电感计算表达式。为了解决传统排序法电容电压控制效果与开关频率之间的矛盾,提出一种改进型电容电压排序法,即通过设定一组电压上、下限和引入调节因子,对电容电压已越限和未越限的子模块分开做排序电压调整。通过在Matlab/Simulink环境中进行仿真,验证改进型排序法既可显著降低平均开关频率,减少系统开关损耗,又能保证电容电压最大偏离度在可接受范围内。针对MMC实际应用中,大量的电压传感器造成硬件设计复杂、成本增加和系统可靠性降低等问题,提出一种根据MMC开关信号和桥臂电流等信号观测出子模块电容电压的滑模观测方法。此外,为了抑制符号函数引起的高频抖振,引入一种光滑连续的双曲正切函数tanh(x)作为切换函数,仿真结果证实该滑模观测器可准确地观测子模块电容电压,在实际应用中可有效替代电压传感器。对MMC系统设计方案做出探讨,主要包括主电路设计与元件选型、控制系统架构确立与硬件电路设计以及控制系统软件部分的程序设计。