在大容量传动领域,因综合性能更优,多电平电压源型变换器(VSC)是变频器拓扑的主流选择。模块化多电平变换器(MMC)因其便于拓展、可靠性高、波形质量好等众多优点引起了广泛研究,并在高压直流输电(HVDC)场合迅速推广。其在中高压大功率交流传动场合相比常用的级联多电平变换器(CHB)也具有明显优势,但受制于低频运行时电容电压的巨幅一次脉动而较少使用。而在应用更广的中低压(2.3-6.6k V)场合,五电平及以下电平数拓扑则更受青睐,而成熟简单可靠的五电平拓扑依然较少。以上原因限制了高性能多电平VSC在更大功率传动领域的进一步应用。针对这些难题,本文开展了以下研究:首先结合MMC的典型运行模式,对其内部电压电流状态量的迭代过程进行了详细分析,揭示了桥臂一次脉动功率的形成机理和特征,厘清了子模块电容电压脉动的成分。完整地提出了抑制电容电压一次脉动的三种思路,并将现有文献的方法进行了归类和对比。总结了不同思路的脉动抑制方案的工业适用场合。后文从三种脉动抑制思路出发,提出了三种具体的优化脉动抑制方案。方案一针对传统高频注入法的多方面缺陷,基于飞跨电容型MMC提出了一种改进型高频注入法。通过改变传统载波移相调制移相角的配置方式来形成幅值更大的高频电压。借助辅助通路形成高频电流,这样极大地拓宽了注入法的适用速度范围,降低了开关频率和子模块电容容量需求,同时消除了共模电压对电机的影响。为进一步提高MMC在高功率密度传动场合的经济适用性,方案二提出了一种基于三电平三端口功率通道的脉动抑制策略。分析了辅助功率通道的工作原理和软开关工作过程,提出了全局控制策略。将该方法和传统功率通道做了详细对比,指出该方案可减少成本,并提升系统效率。针对传统大功率机车牵引系统效率较低这一具体问题,从第三种脉动抑制思路出发,提出了一套背靠背(BTB)结构的MMC牵引传动系统,在全速段内随基波频率线性调整直流母线电压来维持脉动恒定。分析了工作原理和电容电压平衡方法,并提出了完整的控制策略。针对实际场合极低频时需要补偿定子压降而必须提高直流电压的约束,提出将每相两端子模块汇通形成含有并联电容的贯通子模块。极低频段仅投入贯通模块来降低电容脉动,并提出了含有低、高速切换的控制框图,使系统获得了零速过载起动能力。与传统牵引变流器相比,本方案在成本、效率和可靠性等指标上均有较大突破。针对可靠的钳位五电平结构较为稀缺这一现状,系统地概括了钳位多电平拓扑的衍变规律。提出了几种新型五电平钳位拓扑。并着重以一种混合钳位五电平(5L-HC)为研究对象,对其运行原理和优缺点进行了详细阐述。推导分析了电路中三类电容在各种工况下的纹波特性,提出了相应的平衡策略。尤其是对直流侧上下电容提出了多种平衡方法,并进行了对比分析。研究工作为该拓扑在大功率传动场合的应用奠定了基础。针对低开关频率调制对大容量多电平结构带来的影响,从传统两电平SPWM调制过程出发,进行了机理分析,将其影响系统地总结为谐波交叠现象。分三方面阐述了谐波交叠在不同拓扑中的表现,相应提出了解决方案,并对所提方案进行了验证。对本文关注的MMC和5L-HC在低开关频率下出现的谐波交叠现象进行了深入分析、对解决方案进行了验证。最后对多电平低开关频率下的调制方案设计进行了说明,并探讨了其他工程实现问题。以上研究工作为低开关频率下大功率多电平变换器的正常运行提供了保障。