随着我国能源危机与环境问题的日益凸显,为了解决我国电机系统效率低下的问题,采用高效率、高性能、高可靠性的高压变频器及其控制系统是解决问题的关键。受制于功率器件电压等级的限制,传统的二极管钳位型(neutral point clamped,NPC)三电平变频器无法应用到高压变频领域。本文以有源中点钳位型(active NPC,ANPC)五电平变频器为研究对象,对其拓扑结构、建压方法、调制策略及控制系统等多个方面进行研究。针对ANPC五电平变换器的拓扑结构进行研究,通过分析该拓扑的结构特点和其输出五个电平对应的八种开关状态关系,给出了不同开关状态之间需要遵守的切换原则,同时对母线电容及悬浮电容电压在正常和非正常工作条件下的开关管电压应力进行分析,得出系统稳定运行的前提条件,针对悬浮电容的电压平衡控制,给出了相应的控制策略。针对传统电容建压方法无法适用于ANPC五电平变频器内部电容器的建压问题进行研究。本文以ANPC五电平整流器及背靠背式的五电平变频器系统为研究对象,通过分析两种系统在整体电路结构上的差异及其拓扑结构特点的基础上,分别提出了针对ANPC五电平整流器及背靠背式的ANPC五电平变频器的建压方法,在不增加其他外部充电设备的前提下,通过控制每相桥臂中不同开关管的导通与关断,对各系统中的所有电容器进行预充电,在分析不同阶段建压电路结构特点的基础上,推导出各阶段电容器建压公式,并给出建压速度与等效预充电阻及电容器容量的关系。针对传统五电平逆变器空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)控制算法复杂、计算量大等缺点,根据ANPC五电平结构特点结合五电平逆变器的空间矢量模型,研究一种基于线电压坐标系的ANPC五电平SVPWM控制算法,优化了基本矢量的计算方法的同时简化基本矢量对应作用时间的求解过程;为了实现中点电位的平衡,针对不同开关状态下的ANPC五电平逆变器的母线中点电压的波动模型进行研究分析,提出一种有效平衡中点电压的控制方法,通过选择参考电压矢量所在三角形的开关序列及控制复用矢量的作用时间之比,实现了悬浮电容电压与中点电压的解耦控制;为抑制逆变器输出的共模电压,结合SVPWM算法特点,给出了抑制共模电压的有效控制方法;针对新SVPWM控制算法运算时间不固定的缺点,提出了一种优化算法,经过优化后控制算法的运算时间将被大大缩短,达到在全调制度范围内控制算法的运算时间保持一致的目的。为了降低系统损耗,提高系统效率,实现系统的最优控制,本文针对ANPC五电平PWM逆变器的模型预测控制技术(model predictive control,MPC)进行研究,通过分析了五电平逆变器模型预测控制的特点,构建了系统的数学模型并推导出被控量的离散化预测模型。在实现五电平逆变器模型预测控制的基础上,提出了ANPC五电平PWM整流器的模型预测控制策略,给出了预测控制器的设计方法;同时基于预测控制的基本思想,提出了一种ANPC五电平PWM整流器的定频预测控制(fixed-frequency predictive control,F2PC)策略,并详细给出了定频预测控制的控制原理及实现方法。为了进一步提高ANPC五电平变频器控制系统在工业中的运行性能,首先设计了一套背靠背ANPC五电平变频器硬件控制系统,使其能够满足相关的控制算法的实现及高速通信的设计要求;为了实现ANPC五电平变频器各控制系统之间的数据实时通信,设计了一种基于FPGA的高速光纤通信系统;其次为了解决逆变器和电动机之间采用长线电缆传输导致在电动机端产生过电压的问题,设计了一种抑制电机端过电压的输出滤波器并给出了滤波器相关参数的设计方法;最后通过构建ANPC五电平变频器异步电机矢量控制系统对整个变频器系统相关硬件的设计、控制算法的实现及相关通信的可靠性进行了系统性的实验验证。