随着电力电子技术的飞速发展，大功率变换器在电能传输与分配、交流异步电动机调速系统及新能源电网等领域广泛应用，是静止同步补偿器（STATCOM）、有源电力滤波器（APF）、柔性交流输电技术（FACTS）及交流异步电动机调速装置的核心设备。在高压大功率领域，多电平逆变器以电压变化率du/dt小，电磁干扰小；输出电平数量多，电能质量高，总谐波畸变率（THD）小；开关管开关频率和电压应力低等优势而受到重视，但是随着输出电平数增多，多电平逆变器控制策略也相应复杂，难以实现多目标控制，并且随着电力电子设备在智能电网中广泛应用，一些恶意数据注入可有效绕过系统检测，使得系统控制器失控，严重影响智能电网正常运行。针对以上问题，本文开展了以下研究工作：
　　首先，分析了级联型多电平逆变器的工作原理并建立了级联型多电平逆变器的数学模型，对传统模型预测控制策略进行了理论分析及仿真研究，针对该控制策略在输出电平数量较多时控制器计算负担较大，并且对于级联型多电平逆变器大量冗余开关状态没有更好利用系统共模电压峰值较大、系统鲁棒性不强难以抵御网络攻击等问题，本文提出了两种改进型模型预测控制策略，在减少控制器计算负担时实现对负载电流跟踪和抑制共模电压两个控制目标。第一种是基于Lyapunov函数的改进型模型预测控制策略，通过构造Lyapunov函数、充分利用冗余电压矢量对代价函数重新定义，将系统控制器计算量大量降低，并且无需设计权重因子，在实现负载电流控制的同时，系统共模电压峰值也相应降低；第二种是抑制共模电压的改进型模型预测控制策略，通过对三电平与五电平逆变器电压矢量特点进一步分析，合理选择系统基本电压矢量并推导出系统代价函数的最优解，进一步优化控制策略，使得系统实现负载电流控制和零共模电压控制目标，最后对两种改进型模型预测控制策略进行了仿真研究，验证了其实现电流跟踪控制及抑制共模电压控制的正确性和有效性。
　　其次，对于电力电子设备在智能电网中广泛应用，一些恶意数据注入可有效绕过系统检测，导致系统控制器失控严重影响智能电网正常运行的问题，本文对基于Lyapunov函数的改进型模型预测控制策略进一步优化，建立了基于卡尔曼滤波器的级联型多电平逆变器系统，利用卡尔曼滤波器对系统进行最优状态估计；并且站在网络攻击者的角度，设计了一种能够有效绕过卡尔曼滤波器和检测指标的网络攻击信号，提出了基于KNN算法和IF算法改进的两种考虑网络安全的模型预测控制策略，并对两种优化控制策略及所设计的网络攻击信号进行了仿真研究，验证了所提出的两种优化控制策略能够使系统有效抵御网络攻击，实现稳定运行。
　　最后，针对级联型多电平逆变器的两个常用领域首先将抑制共模电压的改进型模型预测控制策略应用于级联型多电平异步交流电动机调速系统，通过matlab/simulink平台上搭建控制系统仿真模型，验证了该控制策略在保证系统稳态、动态性能时能够有效降低系统变频器输出共模电压幅值，减少电机轴承损害。其次，将基于IF算法的模型预测控制策略应用于考虑网络安全的级联型多电平逆变器静止同步补偿器系统，通过matlab/simulink平台上搭建控制系统仿真模型，验证了该控制系统在考虑智能电网网络安全因素时仍能实现稳态控制。