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随着现代社会经济的迅速发展,能源和环境问题已成为当前人类面临的紧迫问题。电力电子变换器因其灵活丰富的功能,在调整能源消费结构和增加能源有效利用率方面具有重要作用,已成为现代能源系统中的核心部件和关键技术。本文以级联H桥多电平变换器为研究对象,围绕级联H桥静止同步补偿装置(Static Synchronous Compensator,STATCOM)的模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)优化和级联H桥中压大功率风力发电系统的关键技术两个方面展开研究。应用MPC于级联H桥STATCOM时,其计算量随级联链节数指数级增加。针对上述问题,提出了一种基于分层序列优化算法的建模方法。根据被控目标的优先级将级联H桥STATCOM的MPC分为电流MPC和电容电压平衡MPC两个优化子问题,此时电流MPC的计算复杂度为多项式时间级,而电容电压平衡MPC的计算复杂度为指数时间级。然后提出一种基于动态规划与0-1规划的混合优化算法,重新确定电容电压平衡MPC的优化顺序,并将其中的三值正定整数规划问题化简为两个0-1线性整数规划问题。上述建模和优化方法可将级联H桥STATCOM的MPC的计算复杂度降低到多项式时间级。采用完全枚举算法求解电流MPC时,其计算量由级联H桥变换器的非冗余矢量个数决定,其算法复杂度为多项式时间级。针对上述问题,本文提出了一种简化分枝定界算法。该算法利用gh坐标系将电流MPC的双变量整数规划问题化简为多个单变量整数规划问题,仅需比较4n+1个非冗余矢量即可求取全局最优解。时间复杂度分析和实验结果表明:电流MPC的计算复杂度可降低到线性时间级。经过上述优化过程,级联H桥STATCOM的MPC算法计算时间已大大降低,但在级联链节数较多时仍需采用高性能处理器实现。本文提出了一种基于DSP+FPGA的并行实现方法。该方法利用DSP与FPGA各自的优势协同完成MPC算法,并针对FPGA提出一种基于流水线的并行比较排序方法降低排序算法的执行时间。最后通过DSP与FPGA的并行运行,级联H桥STATCOM的MPC的时间复杂度和空间复杂度均可降低到线性时间级,任意规模的级联H桥STATCOM的MPC均可通过低成本的DSP与轻量级的FPGA在线实现。三相级联H桥七电平STATCOM实验结果证明了上述并行实现方法的正确性和效率。验证级联H桥中压大功率风力发电系统时,在网侧逆变器观测到两个振荡现象:即包络振荡问题和中频振荡问题。本文分析了包络振荡问题的原因,然后提出一种基于载波同步锁相环的全局载波同步方法实现多个DSP的同步,进而解决上述问题。针对中频振荡问题,提出一种基于线性变换的解耦分析方法,将逆变器电流分解为和电流与差电流。此时仅采用单变量控制理论(如波特图),即可分别分析和电流与差电流的性能。和电流与差电流具有相同的电流调节器,但具有不同的耦合阻抗。当和电流的阻抗远大于差电流的阻抗时,采用小的控制器参数难以满足和电流的控制性能,采用大的控制器参数可能会降低差电流的稳定裕度,导致中频振荡问题。本文提出的解耦分析方法可为多并联逆变器的电流调节器和硬件设计提供理论依据。级联H桥五电平风力发电系统实验验证了上述方法。