电力电子变换器是一个典型的开关非线性系统,基于线性电路理论的分析方法具有一定的局限性,缺乏从系统论角度开展研究。逆变器广泛运用于工业生产和人们的日常生活,其各种性能的分析将有助于逆变器的稳定可靠运行。为此,本文以逆变器为分析对象,应用切换系统理论,开展逆变器的能控性研究,为逆变器控制策略设计及拓扑的构造提供了新的方法和思路。论文主要研究内容及成果如下:1)建立了三相四线制逆变器、三相三线制逆变器以及九开关逆变器的切换系统模型。与现有逆变器模型比较,切换系统模型保留了逆变器的全部动态特性,同时可以直接用逆变器工作模态的状态方程描述,并用切换序列描述逆变器的控制策略,适用于从系统论角度对逆变器进行能控性分析与研究。2)现有结构能控性分析方法都是针对线性系统,即考虑系统结构不发生变化的情况。针对逆变器切换系统模型工作模态不断周期变化的特点,发展出一种各工作模态有向子图凸组合的图论结构能控性分析方法,并运用此方法研究了三相四线制逆变器、三相三线制逆变器和九开关逆变器的结构能控性。仿真和实验分析表明,三相三线制逆变器带对称负载时具有结构能控性,带不对称负载时则不具有能控性,即无法带不对称负载;而三相四线制逆变器、九开关逆变器则是完全结构能控的。3)基于切换系统能控性判据,研究了三相四线制逆变器、三相三线制逆变器和九开关逆变器的状态能控性。仿真和实验分析表明,三相四线制逆变器是状态完全能控的;三相三线制逆变器是状态不完全能控的,只有两相电压电流能控,进一步解释了其无法带非对称负载的问题;而九开关逆变器则是状态完全能控的。4)根据逆变器状态能控性,进一步研究了逆变器的最少模态能控性,从理论上说明了对于具有k个工作模态的逆变器,只需少于k个工作模态参与切换控制即可达到控制目的。由此提出了逆变器的m(m<k)模态能控性概念及m模态切换控制策略,m模态控制策略涵盖了现有PWM和空间矢量控制。5)基于逆变器m模态切换控制原理,提出了三相四线制逆变器3模态切换控制、4模态切换控制和九开关逆变器6模态切换控制策略。仿真和实验研究表明,三相四线制逆变器3模态切换控制和4模态切换控制可以有效减少开关次数和损耗,比现有空间矢量调制分别减少了2/3和7/12次开关;九开关逆变器的6模态切换控制亦比现有调制减少了2/3次开关。说明了所提出的m模态切换控制对于大功率逆变器高效运行具有重要实际意义。6)根据逆变器m模态能控性,提出了复杂逆变器拓扑的优化方法,具体以MMC逆变器为研究对象,分析了其全桥子模块电路的m模态能控性,发展了一种新的子模块电路,减少了一个主开关管,简化了结构和降低了成本,且提高了电压利用率和大幅度降低了输出电压畸变率,对于其他逆变器的拓扑构造具有一般意义。