多电平变换器适用于传统两电平无法满足耐压需求的中高压、大功率场合,如大功率牵引传动、高压直流输电。同时它们也越来越多地被应用在有高性能需求的低压系统,如光伏逆变器、风能变换系统和不间断电源。层叠式多单元变换器（Stacked multicell converter,SMC）作为一种典型的混合多电平拓扑,不仅继承了飞跨电容型多电平变换器输出电平易于扩展、等效开关频率高等优点,在相同输出电平数和电压等级的前提下,还具有冗余开关状态更多、所需悬浮电容体积更小等优势,具有重要的研究价值。本论文以SMC为研究对象,围绕中点电位和悬浮电容电压平衡控制策略开展研究。介绍了SMC电路拓扑特点,从器件数量、开关电压应力、电容容量方面与传统飞跨电容型变换器拓扑进行了对比。以五电平为例,分析了SMC基本工作原理和三种开关切换模式下的换流过程,给出了不同开关状态之间的切换原则。针对悬浮电容电压自平衡现象,建立了SMC频域模型,分析了自平衡机理,总结了悬浮电容自平衡条件和影响自平衡速度的因素。针对SMC电容电压平衡问题,在载波移相+载波层叠调制下提出了一种基于最优零序电压注入的电容电压平衡控制策略,实现了比传统控制方法更宽的中点电位控制范围。分析了电容电压波动规律,研究了中点平均电流和注入零序电压之间的关系,根据中点电位控制需求得出了最优零序电压计算方法。在此基础上,分析了悬浮电容电压控制和中点电位控制之间的耦合影响,提出了一种最优零序电压选取方法,该方法选择对悬浮电容电压平衡控制最优的零序电压,实现了中点电位和悬浮电容电压的良好控制。考虑到该方法在高调制比或低功率因数工况下中点电位控制能力不足,提出了一种基于最优零序电压注入的混合控制方法。该方法在最优零序电压注入基础上,通过拆分一相调制波进一步提升中点电位控制能力,实现了全范围的中点电位完全可控。针对基于零序电压注入的电容电压平衡控制方法难以实现全功率因数范围内中点电位低频波动抑制问题,研究了适用于SMC的双调制波调制策略及其电容电压平衡控制策略。分析了传统双调制波控制策略的实现方式和存在问题,基于五电平SMC的电路拓扑特点,考虑通过双调制波解决中点电位平衡控制,载波移相解决悬浮电容电压平衡,提出了一种基于载波移相的新型双调制波调制策略。通过将注入中间零序电压的三相调制波分别拆分为上层和下层两个调制波,与两个相位互差π的三角载波比较直接对应五电平SMC各换流单元的开关信号,实现了悬浮电容电压的自然平衡和中点电位低频波动的完全消除。基于该调制策略,研究了中点电位平衡控制和悬浮电容电压平衡控制方法。考虑开关序列分布规律,提出了通过调节调制波非钳位相的占空比实现中点电位控制,调节调制波钳位相的非钳位调制波占空比实现对相应悬浮电容电压控制的控制方案,实现了全功率因数范围内中点电位低频波动抑制,以及中点电位和悬浮电容电压平衡控制解耦。按照零序电压调节、调制电压拆分、占空比调节顺序,总结了基于载波移相+载波层叠调制下的五电平SMC电容电压平衡控制方法。该方法可以很容易的往更高电平应用拓展。针对载波层叠调制无法直接对应各换流单元开关信号实现悬浮电容电压平衡问题,结合SMC的结构特点和电容电压平衡机理,提出了适用于SMC的构造载波调制方法及其相应的电容电压平衡控制方法。该调制策略通过调整载波层叠调制各载波的有效区间,保留了载波层叠调制的最优线电压谐波特性,同时具有电容电压自平衡特性。在不同载波带区间,构造生成的新载波都具有移相特性,这一特点使得基于载波移相+载波层叠调制下的几种电容电压平衡控制方法可以简单移植到改进型构造载波调制中。此外,所提构造载波调制方法具有更强的自平衡能力。针对传统空间矢量调制在多电平变换器应用中开关序列设计复杂、计算量大等缺点,提出了一种基于代价函数的空间矢量调制算法。通过筛选具有最小共模电压的最近三矢量合成目标矢量,各相开关状态选择实现悬浮电容电压和中点电位平衡控制,大大降低了空间矢量合成算法的复杂程度,在实现电容电压平衡控制的基础上还有效的抑制了共模电压、减少了控制算法的计算负担。分析了最近矢量和单电流控制目标的有限集模型预测控制之间的等效性。在此基础上,针对SMC悬浮电容电压、中点电位、共模电压、输出电流和开关频率等多个控制目标,提出了一种基于代价函数的单一矢量控制方法。该方法通过电流控制获取电压目标矢量,经gh坐标变换和标幺化处理实现快速矢量定位,仅保留共模电压最小且距离目标矢量最近的基本矢量用于电容电压平衡控制。根据悬浮电容电压及中点电位波动能量构成的代价函数选择各相开关状态,实现了多个目标的有效控制,算法计算量大大减少。考虑到该方法无法实现悬浮电容电压和中点电位平衡控制解耦,提出了一种悬浮电容电压控制优先的单一矢量控制方法。该方法由悬浮电容电压平衡控制需求确定各相开关状态,从距离目标矢量最近的两个矢量中选择使中点电位最小的单一开关状态,通过牺牲一定的输出电流性能提供了新的开关状态选择可能性,实现了各控制目标之间的解耦控制。