子模块（submodule,SM）功率波动是模块化多电平变换器（modular multilevel converter,MMC）与基于MMC的固态变压器（solid state transformrt,SST）中的固有问题,这通常需要较大尺寸的电容进行吸收。SM电容通常占MMC系统总体积的50%以上,占总重量的70%以上,这明显降低了变换器系统的功率密度。为了减小MMC子模块中的电容尺寸,进一步提升功率密度,本文对MMC及其SST系统中的波动功率消除方案进行了研究。首先,对传统MMC中SM波动功率特性进行了分析,并提出了耦合方案。建立了MMC的等效数学模型,分析了MMC中波动功率的产生机理,进一步分析了波动功率影响下的SM电压波动特性与电容参数约束,桥臂环流特性与电感参数约束。根据分析所得的SM波动功率对称特性,提出了纵向与横向两种波动功率耦合方案,并进行了对比,得出三相间横向耦合为更优方案。通过在横向SM间添加功率通道,实现波动功率的消除。其次,在横向耦合方案的基础上,提出了基于SM高频链互联的开关电容MMC（switched-capacitors MMC,SC-MMC）拓扑方案。建立了互联高频链的等效导纳模型,分析了在模型中波动功率的传递与耦合原理以及SM电容电压的自动均衡特性。同步控制下SM之间呈现开关电容特性,对环路的阻抗约束进行了分析,并对波动功率耦合后的新电容参数约束条件与新电感参数约束条件进行了分析。以实际工程案例对所提拓扑与传统MMC拓扑在体积与成本方面进行了对比评估,并对其工程应用前景进行了评估。搭建了系统仿真模型,对比仿真结果验证了所提开关电容MMC拓扑方案的正确性与有效性。然后,在开关电容MMC基础上,进一步提出了基于四有源桥（quad active bridge,QAB）的三端口MMC-SST（QM2C-SST）拓扑方案。提出了QAB隔离级的混合同步移相控制策略,QAB一次侧采用同步控制实现MMC子模块间波动功率的自由传递与耦合,一次侧与二次侧之间采用移相控制实现有功功率的传递。分析了QAB的工作原理,波动功率的传递与磁耦合原理,以及三端口的功率传递原理。以实际工程案例对传统结构与所提结构两种三端口SST系统进行了对比分析,包括组件参数、体积与成本对比。搭建了系统仿真模型,仿真结果验证了所提三端口SST拓扑方案的正确性与有效性。最后,对所提拓扑方案进行了实验验证与系统模块化设计。搭建了基于TMS320F28335控制的SC-MMC以及QM2C-SST实验平台,验证了所提拓扑方案对SM波动功率的消除效果,并且验证了SM电压自动均衡、桥臂2倍频环流抑制、多种动态切换等功能。并以一个实际工程案例对三端口SST系统进行了模块化设计,提出了“十”字形组合式子模块结构方案,绘制了组合式子模块与系统的实际工程3D模型。