新能源电站规模化发展、电气化交通铁路的提速、矿产资源深地深海开采战略推进,大功率脉宽调制整流器作为发用电与电网的重要接口,一方面关注运行效率,另一方面需要兼顾运行品质和寿命。在整流器进行电能转换时一部分能量消耗在整流器本身,产生功率损耗。其中开关损耗转占据主要部分,降低工作开关频率降低损耗提升安全运行寿命的直接有效方法,但是传统基于矢量控制方案在低开关频率下系统模型精度降低、伏秒平衡等效调制原理误差变大。基于此,本文以整流器系统电流动态行为更加精确的描述为切入点,以NPC三电平PWM整流器低开关频率下提高性能展开研究。提出了一种基于凸优化的单相三电平PWM整流器预测控制方法。通过开关优化,得到了可以控制中点电位平衡的三段开关序列,在此基础上,不仅描述载波周期内的电流动态行为,将传统以载波周期结束电流误差最小化标准改为评估载波周期起止点和中点极值点的电流误差为评价标准。建立了一个能够评价被控变量在一个开关周期内全局性能的凸问题并求解。提出了双矢量电流谐波最低预测控制方法,通过最小化误差面积的方式实现载波周期内电流谐波最低,建立起电流谐波含量与控制量之间的关联,与传统双矢量载波周期结束时刻电流误差最小化相比电流品质更好。研究了一种单相三电平PWM整流器基于满意优化的FCS-MPDPC方法。通过在成本函数中引入优先级的概念,实现了结合PWM整流器所有目标和约束条件的全局优化。为了提高FCS-MPDPC方法对PWM整流器未来趋势的描述精度,预测时域由传统的单步扩展到多步。针对满意优化控制方案运算负担较大的问题,研究了优化开关有限控制集预测控制方案。通过开关控制,使得被控量收敛到有界不变集来保证系统实际稳定性,同时通过设置边界来调整系统的各项性能指标。与传统权重系数方法相比,中点电位平衡、电流谐波含量、平均开关频率三个评价指标,其中任意两个指标接近时,另一个指标都更优。同时降低了运算负担。将优化开关有限控制集模型预测控制方案应用在三相系统,通过优化开关使变换器被控量最短时间收敛到最大有界不变集,确保了变换器的实际稳定性。通过变步长搜索算法动态自适应调整最大有界不变集来实现开关频率和中点电位控制。提出的预测控制方案在大功率中压三电平PWM整流器进行实验验证。大功率实验中,控制器采用TMS320F2812即可实现,更易实现主控芯片的国产化替代。