模块化多电平变换器（MMC）因其具有模块化程度高、便于扩展、易于实现冗余、可靠性高、输出波形质量高、系统电磁干扰小等优点，受到广泛研究。MMC是中高压大功率应用场合最具前景的多电平变换器拓扑之一。但因为子模块电容需承受低频脉动电压，MMC的系统功率密度偏低，并且当MMC驱动电机低速运行时，子模块电容电压产生巨幅脉动。这些问题的存在，极大地限制了MMC的应用。　　针对这些问题，本文首先分析了MMC中子模块电容电压脉动产生的机理以及其具体表达式。MMC中各电流电压之间相互作用，文中从桥臂电流入手，依次分析了桥臂电流、电容电流、电容脉动电压、子模块输出电压、环流五者之间的相互关系。并基于MMC工作于开环控制等假设条件下，推导出了五者的具体表达式。通过观察和分析电容脉动电压的表达式发现，电容脉动电压中含有基频及基频倍数次低频脉动，这是造成MMC系统功率密度偏低的本质原因；MMC驱动电机低速运行时，子模块电压脉动中的主要分量基波脉动与系统运行频率成反比，与交流输出电流幅值成正比，这是造成MMC低频运行子模块电容电压产生巨幅脉动的本质原因。同时，基于上、下桥臂输出电压中的共模和差模分量，建立了MMC交流侧和直流侧解耦的等效电路模型。　　针对MMC系统功率密度偏低的问题，本文提出基于分裂电容型有源功率解耦技术的MMC拓扑。该方案的电路结构是在原有子模块基础上，增加一个半桥和一个滤波电感，并将子模块电容分裂成两个电容串联，半桥中点和两个电容中点用滤波电感连接。该方案的基本思路是，附加的有源功率解耦电路负责消除子模块电压中的基波脉动，而子模块电压中的二次脉动则通过合理控制环流加以消除。文中对有源功率解耦电路建立了数学模型，并对模型中的谐振峰采用电容电压反馈的有源阻尼方法加以抑制。为更准确地跟踪电压指令，闭环控制系统中采用准谐振控制器。最后通过仿真和实验验证了所提方案的有效性，并基于仿真结果对比分析了所提方案与传统MMC的优势与代价。　　针对基于分裂电容型有源功率解耦技术的MMC需要注入二次环流的问题，本文进一步提出基于Buck型有源功率解耦技术的MMC拓扑。该拓扑在原有子模块的基础上，增加了一个半桥、一个储能电容和一个滤波电感，组成Buck型有源功率解耦电路。该方案中，将子模块主电容中的脉动功率转移到了有源功率解耦电路附加的电容中，从而消除主电容中的电压脉动，降低其电容量。而附加电容的能量存储利用率较高，其电容量也较小，因此子模块中总电容量大幅降低，体积大幅减小。控制方面，首先对附加电容电压指令作了闭环修正，并采用PI+嵌入式重复控制器对电压指令进行跟踪，提高了子模块电压脉动抑制的效果。最后通过仿真和实验验证了所提方案的有效性，并基于仿真结果对比分析了所提方案与传统MMC的优势和代价。　　针对MMC驱动电机低频运行时，子模块电压产生巨幅脉动以致无法正常工作的问题，本文提出在三相子模块间构建功率通道的脉动电压抑制方案。通过分析子模块脉动功率发现，三相子模块间的脉动功率呈现三相对称的特性。基于此，在三相子模块间构建功率通道使它们的脉动功率自由流通从而相互抵消，进而达到消除子模块电压脉动的目的。其中，功率通道采用三端口移相电路。为便于控制，文中将三端口功率通道简化成三个两端口功率通道，并对两端口功率通道建立数学模型，在此模型基础上设计了闭环控制系统。不同于传统共模注入法，由于功率通道与原子模块运行互相独立，因此本方案可在全速度范围内消除子模块电压脉动，从而可大幅降低子模块电容量，提高系统功率密度。文中还分析了功率通道中三绕组变压器的参数设计和开关频率的选取原则。此外，通过仿真和实验验证了所提方案的有效性，并基于仿真结果对比分析了所提方案相对于传统方案的优势。最后，从应用场合、成本、损耗、电容需求四个角度，对比分析了本文提出的三种MMC的有源功率解耦方案。