本文针对传统级联型多电平变换器不能回馈能量,而全部单元都回馈的级联变换器成本高、结构复杂的问题,研究了一种基于部分单元能量回馈的级联多电平变换器的拓扑结构。这种变换器将部分级联单元的不控整流器替换为三相可控整流器,使得该变换器具有能量回馈功能,是一种介于不回馈和全部单元回馈的拓扑结构之间的一种新的拓扑。从这种结构还能衍生出一系列新的拓扑结构,因而具有重要的研究意义。本文分析了两种单元的比例配置问题。通过从其元件参数、输入移相变压器的结构等方而对比其与不回馈和全部单元回馈的拓扑结构之间的不同,得出这种变换器因能量回馈所增加的成本明显比全部单元回馈的变换器低,因此具有明显的经济价值。研究这种结构的变换器能够为需要四象限运行的高压感应电机驱动系统提供一条新的路径。基于这种拓扑结构和交流异步电机的稳态模型,本文设计了一种基于V/f控制的变换器单元协调控制策略。这种控制策略可以开环运行,也可以实时功率跟踪方式运行。当电机处于发电状态时,开环模式下,根据少量的电机参数以及负载转矩等参数估计出电机的发电功率。实时功率跟踪方式则直接检测电机机端的有功功率。利用电机功率和电流有效值的检测值,计算出功率因数角,并对能量回馈单元和普通不控整流单元分别实施控制,使得电机发出的有功功率流向能量回馈单元并通过其PWM整流器和移相变压器回馈到电网。本文给出了这种控制策略的边界条件,分析了电机电流的波动对控制产生的负而影响和应对措施。仿真验证了控制策略的可行性。在对能量回馈单元的整流器的控制方而,本文分析了能量回馈单元对普通单元造成的影响,并提出在这种结构的变换器巾能量回馈单元前端需要外加整流滤波电感,而不宜用移相变压器的漏电感代替。针对这种变换器拓扑结构的特殊性以及控制策略的特点,在分析对比了现有的多电平调制方法的基础上,研究了在不同的单元配置比例之下的协同调制方法,并进行了仿真验证。对于每相只有一个能量回馈单元而普通单元较多的情况,提出能量回馈单元采用特定谐波消去法调制,而普通单元采用载波水平移相PWM调制,并且利用普通单元输出补偿能量回馈单元产生的低频谐波。对于每相两种单元的数量都大于1的情况,适宜采用两种单元分别进行载波水平移相PWM调制并且两组载波组之间移相的方法,并比较了不同单元数量比例下改善电压波形质量的效果。本文将一个经过改造的每相有1个能量回馈单元和4个普通单元级联的变换器,与一个380V/7.5kW的交流感应电机组成了实验平台。在这个实验平台上实验了变换器通过能量回馈单元将电机的再生能量回馈到电网并且普通单元直流电压保持稳定的过程,验证了本文提出的变换器开环和实时功率跟踪的控制方法的可行性。最后从实测数据和器件功耗仿真两方面说明了实验中功率损耗的来源。仿真和实验结果表明,本文所提出的这种拓扑结构的变换器及其控制方法,能够实现电机能量回馈到电网的功能。而且这种控制方法不需要详尽的电机参数,具有通用性,实现起来比较容易。对于那些动态调速性能要求不高的感应电机传动系统而言,本文所提出的这种变换器能够在不大幅提高成本的条件下满足其能量回馈的需求。