基于电压源型换流器的高压直流输电技术,即柔性直流输电技术,因不存在换相失败风险、可实现有功/无功解耦控制、易于直流潮流反转,成为直流输电领域的前沿技术。与传统两电平或三电平电压源型换流器相比,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有运行损耗小、波形质量好、集成度高等优点,是柔性直流输电领域最具技术优势的拓扑方案,近年来得到了广泛关注。MMC换流器中包含大量级联子模块,子模块电容器呈分布式特征,且电容电压悬浮,在电路结构上与其他电压源型换流器的集中式直流母线电容存在显著差异。在实际工程中,电容体积占子模块体积一半以上,且投资成本较高。由于MMC换流器中子模块电容的独特性和重要性,电容对换流器结构建造成本、暂稳态特性和可靠运行的影响是当前工业界和学术界共同关注的热点问题。因此,本文围绕子模块电容特性,从拓扑结构和控制方法两个方面着手,深入研究MMC换流器的拓扑构造规律和功率解耦控制等相关理论和方法,涵盖新型换流拓扑、拓扑内在关联、调制策略、建模方法以及控制算法等内容,从而丰富和发展MMC换流器的拓扑构造及优化控制的基础理论和方法,取得的主要成果体现如下:首先,提出一种半桥型桥臂交替导通换流器拓扑及其调制策略。本文针对桥臂交替导通换流器运行范围受限的问题,提出一种桥臂移相导通的调制策略,通过引入导通移相角这一新控制自由度,拓展了换流器的运行边界,实现了任意电压调制度下的宽范围运行。采用该调制策略,换流器在正常工作时桥臂电压大于0,从而构建出用单向可控的半桥子模块替代双向可控的全桥子模块的换流结构,减少功率器件数量。所提出的半桥型桥臂交替导通换流器与已有半桥型MMC换流器相比,子模块数减少18%,电容总量减少44%,具有器件数量更少、运行损耗更低、电路结构更紧凑等优点。其次,揭示模块化多电平换流结构的构造规律,导出新型换流拓扑。在充分调研已有MMC换流器的拓扑基础上,归纳出换流器中子模块的电平属性和功率器件的投切属性,并根据电路连接方式将桥臂结构分为直流桥臂和交流桥臂,分别在直流桥臂和交流桥臂中对不同特征的子模块结构和功率器件进行排列组合,获得模块化多电平换流器的桥臂拓扑衍生图谱,并发现不同拓扑之间的内在关联,进而推衍出T型桥臂交替导通换流拓扑。该拓扑具有直流故障穿越能力,且器件数比全桥型MMC换流器减少28%。再次,建立计及子模块电容电压波动的MMC换流器等效模型,并提出有功和无功的解耦控制方法。针对MMC换流器中数以百计的子模块结构,本文通过解析各桥臂内子模块电容电压,建立计及子模块电容电压波动的MMC换流器等效模型,探寻分布式电容的结构特征带来的模型差异,通过交流侧等效电容表征出子模块电容电压波动对换流器外输出特性的影响。并基于新型等效模型,提出一种适用于MMC换流器的dq轴解耦控制方法,以优化换流器的动态响应特征。最后,建立不对称工况下的MMC换流器等效模型,并提出相应的控制策略以提高系统动态电磁特性。不对称工况是柔性直流输电系统中典型的运行工况,本文根据叠加定理,将MMC换流器在不对称工况下的模型分解成正序和负序两部分,分别建立计及子模块电容电压波动的正负序等效模型。进一步,针对不对称工况下的正负序等效模型分别进行控制器设计,提出计及子模块电容电压波动的MMC换流器正负序解耦控制策略,提高了响应速度、降低了阶跃过冲,从而实现系统动态响应性能提高的目标。最后以单相接地故障和相间短路故障为例,验证所提出的模型和控制方法的有效性。本文以MMC换流器为研究对象,针对子模块电容的特有结构,在综述已有MMC换流器拓扑的基础上,探究MMC换流器桥臂拓扑的构造构造规律,提出多种新型MMC换流器结构及其调制方式,减少了MMC换流器的子模块数和电容数,降低了系统建造成本。并在详细分析子模块电容电压波动特性的基础上,分别提出对称工况下和不对称工况下MMC换流器的等效模型及其控制策略,有效提高系统的动态响应特性。最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件中对所提出的拓扑结构和控制策略加以验证。