模块化多电平换流器(Modular multilevel converter,MMC)作为一种新型多电平拓扑,具有模块化、易扩展、输出谐波特性好等优势,近些年来在变频驱动领域得到广泛关注。在这一应用场景中,MMC面对的主要挑战来自低速大转矩运行条件下,子模块电容电压的波动显著,需要采用容量较大的电容器,导致装置的体积和成本过高。为抑制MMC低频运行时的电容电压波动问题,一种直流侧串联开关的混合型MMC拓扑被提出,通过巧妙地降低直流侧等效电压来限制电容电压波动。但目前混合型MMC拓扑仍存在以下几方面问题:现有研究只针对恒转矩负载进行分析,相比之下MMC更适合于泵类负载应用;直流侧串联开关采用耐压较低、成本较高的IGBT器件;由于电机电枢电阻的存在,在极低速和零速下运行时,混合型MMC的电容电压波动仍较大,需要进一步抑制。本研究工作旨在解决以上问题并对混合型MMC进行扩展。本文首先对混合型MMC在泵类负载下的电容电压波动进行分析,据此给出子模块电容容量的设计方法。同时,将串联开关采用更为经济、可靠的晶闸管,为保证晶闸管的可靠开通与关断,设计了晶闸管与MMC的协调控制策略。其次,针对混合型MMC在极低速时电容电压波动大的缺陷,本文利用混合型MMC的预充电电路和三相功率的对称性,在低速下提供足够的启动转矩,甚至可实现零速运行。在此基础上提出了对应的控制策略,包括电容电压平衡控制、充电控制以及运行模式切换控制。最后,本文将混合型MMC拓展为背靠背结构,实现电机的四象限运行,适合于抽水蓄能等工业应用。通过反并联晶闸管将两端MMC相连,能够实现能量的双向传递,同时继承了混合型MMC的电容电压波动抑制能力。针对该背靠背拓扑,本文给出背靠背混合型MMC的协调控制策略设计,包括直流电压控制、电容平衡控制等,能够实现四象限稳定运行。本文的电容电压波动分析和所提拓扑及其控制策略均通过仿真或实验结果进行了验证。