近年来,随着新能源发电、分布式发电和微电网技术的发展和推广应用,对低压变流器的性能指标要求越来越高。为了满足这要求,须使用高阶多电平拓扑设计变流器。而传统的高阶多电平变流器拓扑存在着器件数量多、成本高、控制策略复杂等缺点,通常只适用于高压、大容量的应用场合。论文的主要工作是研究新型的低压多电平拓扑电路,以尽量少的器件实现尽量多的输出电平,配合简单有效的控制策略,实现具有器件数量少、转换效率高、成本低、体积小等特点的新型变流器。论文的主要研究内容及创新点主要有:1.论文首先针对多电平变流器开展了一些基础性工作。总结了国内外多电平变流器拓扑电路研究情况,分析了各种常见拓扑的结构特点和工作原理,研究了各种常用的控制策略的优缺点;结合高阶多电平变流器的结构特点,采用模块化设计方法设计了多电平变流器实验平台,分析了实验平台各个硬件电路模块的设计过程及参数计算方法,构建了 DSP+CPLD的软件设计框架,为后续的高阶多电平拓扑的研究打造了良好的基层平台。2.以减少开关器件数量为目标,提出了一种新型七电平变流器主电路拓扑,并研究了该拓扑在空间矢量调制策略下的直流母线电容电压和飞跨电容电压综合优化控制方法,并得出了其可稳定运行的区域。该变流器的导通的开关器件数量少,降低了开关器件的损耗,使得变流器具有较高的转换效率。但是,由于直流母线电容电压的可控范围的限制,该变流器只适合应用于SVG、APF等无功变换的场合,限制了该拓扑的应用范围。3.提出了一种由10个开关器件和两个飞跨电容构成的新型九电平拓扑电路。论文分析了该电路的构成、特点、工作模态和飞跨电容的选型方法,采用PD-PWM调制方法结合优先级控制方法,实现了对飞跨电容电压的控制。在此基础上,通过改变飞跨电容在正弦波正负半周的参考电压值,实现了对直流母线电容电压的平衡控制。通过仿真和实验,验证了该变流器及其控制策略的有效性,并评估了该拓扑的扩展特性。仿真和实验结果表明,该变流器的运行工作点不受负载功率因数的影响,具有很宽的稳定运行区域;该变流器在开关器件数量、平均导通开关器件数量、栅极驱动电路数量、飞跨电容数量、所需直流电源数量及效率等方面的明显优势。这使其成为一种极具竞争力的低压多电平变流器的解决方案。4.针对所提出的九电平变流器,提出了一种改进的模型预测控制策略,实现了对变流器的输出功率、直流母线电容电压、飞跨电容电压、共模电压和开关损耗等多个目标的控制。主要包含的内容有:分析了所提出的九电平变流器中的多个变量的预测模型,阐述了传统模型预测控制策略在所提出的九电平变流器中的实施过程,并讨论了其存在计算负荷大、难以实时计算的问题。针对传统模型预测控制算法计算负荷大的问题,提出了一种基于分步预测的模型预测控制优化算法。通过使用无差拍预测直接功率控制策略缩小了备选矢量的数量,降低了计算量。最后通过仿真和实验验证了该控制策略对所提出的并网变流器的输出功率、直流母线电压、飞跨电容电压、输出共模电压以及开关损耗的综合优化控制效果。