随着我国工业自动化和电力电子技术的快速发展,工业电力用户对供电的电能质量和电力传动装置的可靠性要求越来越高。多电平电力电子变换器在工业中得到广泛应用,是中压大功率电机变频调速、新能源并网系统、无功补偿装置、直流输配电与有源滤波等领域的主要装备。由于五电平嵌套式中性点可控型（Five level nested neutral point piloted,5L-NNPP）变换器具有模块化程度高、易于扩展、开关状态组合丰富、共直流母线等特点,本文对五电平NNPP并网变换器的关键技术进行了研究,其中包括五电平NNPP变换器脉宽调制（Pulse width modulation,PWM）算法、直流母线侧电容与悬浮电容的电压平衡控制、电网复杂工况下锁相环和并网控制策略、五电平NNPP变换器系统设计等关键技术问题。为了解决五电平NNPP变换器的直流母线侧电容和悬浮电容的电压平衡问题,提出了改进型空间电压矢量脉宽调制（Space vector PWM,SVPWM）算法和电容电压平衡控制（Capacitor voltage balance control,CVBC）策略。详细分析了五电平NNPP拓扑结构的开关状态组合和换流回路,得到其开关切换原则。通过优化矢量开关状态选择,提出一种适用于五电平NNPP变换器的共模电压抑制方法,该方法能够有效降低其输出共模电压及矢量开关状态数量。由于五电平NNPP拓扑的开关状态多样性,导致传统SVPWM调制算法的矢量开关状态组合也具有多样性和复杂性,冗余矢量开关状态组合对直流侧中性点电压影响不是完全互补。因此,在优先调节悬浮电容电压的条件下,传统SVPWM算法无法实现直流母线侧电容电压和三相悬浮电容电压平衡控制完全解耦,无法有效控制电容电压平衡。尤其在低频输出情况下,直流母线侧电容的中性点电压波动大,导致电力电子变换器无法正常运行。在此基础上提出一种改进型SVPWM调制算法,优化了开关切换选择,简化了矢量开关状态组合。该方法在调节直流侧电容中性点电压平衡的同时,不影响悬浮电容电压平衡,实现了直流侧电容与悬浮电容的电压平衡控制完全解耦。在全范围输出频率和功率因数条件下,改进型SVPWM调制算法和电容电压平衡控制策略有效实现直流母线侧电容电压和悬浮电容电压平衡。仿真和实验结果验证了所提算法的有效性和可行性。在电压谐波畸变、突变及不平衡等煤矿井下电网复杂工况下,并网变换器的安全可靠运行以及输出性能受到严重影响,需要通过锁相环（Phase-locked loop,PLL）保证并网同步。由于传统锁相环无法有效提取基波分量及各次谐波分量的问题,本文提出了一种新颖的混合坐标系多重解耦锁相环（Hybrid coordinates multiple decoupled PLL,HCMD-PLL）。通过闭环极点分布图与波特图分析得出混合多重解耦HCMD锁相环具有高精度、抗扰动等特点,能够快速准确地提取基波电压相角和幅值,有效抑制主要干扰分量。仿真验证了所提锁相环的可行性。并且,混合多重解耦HCMD解耦网络为电网复杂工况下的并网电压前馈控制提供有利基础。在煤矿井下电网复杂工况下,采用LCL无源阻尼滤波器和基于HCMD解耦网络的电网电压正负序前馈控制策略,该方法可有效降低井下电网电压扰动对并网装置的影响,改善输出电流质量,提高系统稳定性。通过频率响应和闭环极点分布分析了并网滤波器的滤波特性和稳定性。在电网复杂工况下,LCL无源阻尼滤波器能够有效降低电网电压谐波畸变对并网变换器的影响。同时对电网复杂工况下并网控制策略展开研究,提出一种基于混合多重解耦HCMD解耦网络的电网电压正负序前馈控制策略,该方法可抑制电网电压扰动对并网变换器的影响。基于HCMD解耦网络的正负序前馈控制策略和LCL无源阻尼滤波器能够有效抑制电网电压不平衡分量和谐波分量对并网装置的干扰,同时增强并网装置对弱电网的适应性。实验结果验证了LCL无源阻尼滤波器和所提混合多重解耦HCMD锁相环及并网控制策略的有效性与可行性。自主研制了五电平NNPP并网变换器全数字控制系统,搭建了3300V/200A的中压大功率五电平NNPP变换器工程样机实验平台。对所提五电平NNPP变换器的SVPWM调制算法、电容电压平衡控制、电网复杂工况下锁相环技术和并网控制策略进行验证,并对其进行工程试验。实验结果验证了所提理论方法和研制工程样机的有效性。