随着现代电力工业的快速发展，电力系统调频和负荷峰谷差问题日益突显。抽水蓄能电站因其能承担削峰填谷、调相调频的功能而成为经济有效的电力系统调节手段。抽水蓄能电站使用的同步发电电动机单机容量很大（常可达数百兆瓦），在水泵工况下直接起动困难，且会对电网产生巨大冲击。借助电力电子装置实现变频起动是减轻电网影响的有效途径。本文以大型同步发电电动机的高压大容量变频起动控制技术为研究内容，主要完成如下工作。从抽水蓄能电站机组起动系统出发，分析同步发电电动机系统的数学模型。基于高压变频调速技术的研究现状，详细介绍基于三电平拓扑的五电平变频器电路构成，研究其工作原理。五电平变频器装置因结构简单、运行可靠、开关频率低、谐波含量少而适用于大型同步发电电动机的起动。从原理上研究了五电平变频器的电压空间矢量调制策略的基本原理以及矢量序列的选取方法。在五电平七段式调制算法的基础上加以改进，设计一种新的三段式调制算法，一方面解决传统算法灵活性和适用性欠缺的问题，另一方面有效减少了因功率开关切换引起的开关损耗。使用MATLAB/Simulink软件平台搭建五电平变频器电路模型，仿真结果表明电路结构和调制算法的正确性，改进算法能够改善谐波畸变。分析大型同步发电电动机变频起动系统的矢量调速控制方法，对比分析按照不同磁链定向的磁链模型，选择功率因数高、变压器和变频器容量小的气隙磁链定向矢量控制方法，实现磁链和力矩的解耦控制。根据同步发电电动机按照气隙磁链定向的矢量控制原理，剖析电压前馈解耦控制和气隙磁链观测器的特点。使用MATLAB/Simulink软件平台搭建同步发电电动机起动控制系统模型，仿真结果表明调速控制策略的有效性。设计并搭建一套同步发电电动机变频起动实验装置。完成硬件设计和软件开发，在控制板底层测试和主电路测试的基础上，对实验系统进行起动、空载和开环带载调试，测试结果验证调制方法的正确性和起动系统的可靠性。