构建高效、清洁、低碳、安全的绿色制造体系是目前工业技术改造升级的明确方向。四象限级联型多电平变换器具有绿色节能、高效可控以及对电网友好等先进特性,其产品在工业应用中得到迅速推广。目前,四象限级联型多电平变频器的拓扑结构呈现多元化的发展趋势。本文研究一种基于五电平H-NPC结构的级联多电平变频器,该拓扑减少了网侧移相变压器的副边绕组数量,简化了变压器的设计与制造,在同样电压等级下,该拓扑的级联单元数量为三电平H桥级联变频器的一半,进而提高了变频器的功率密度。首先,本文对基于五电平H-NPC结构的级联多电平变频器拓扑结构进行介绍,分析其应用优势与工作原理。对其单相五电平整流器的网侧电感与直流侧电容进行参数设计,并分析选取不同参数对系统响应的快速性与稳定性带来的影响。对变频器采用的载波层叠调制方法进行原理说明,并推导移相角度与输出电压谐波的关系。其次,研究变频器网侧与电机侧的控制方法。通过建立整流器的数学模型,完成整流器双闭环控制系统的设计。基于双闭环的控制系统结构,分析瞬态直接电流控制策略与基于d-q坐标系的有功无功电流控制的原理与特点。建立电机的数学模型,采取坐标变换的方法将其三相静止坐标系变为两相旋转坐标系,基于两相旋转坐标完成对异步电机控制方法的设计。在MATLAB/Simulink软件环境下验证瞬态直接电流控制策略与基于d-q坐标系的有功无功电流控制策略对单相五电平整流器控制的有效性。再次,分析四象限级联H-NPC变频器的能量传输。瞬时输入输出功率不相等,导致直流侧电压二倍频波动。针对此问题,分析二倍频波动对电解电容带来的危害,对其造成的网侧谐波进行理论推导,采用一种部分功率前馈的补偿方法,实现对直流侧电压波动的抑制。运用MATLAB/Simulink软件搭建基于四象限级联H-NPC变频器的传动系统仿真模型,验证基于部分功率前馈补偿的直流侧电压波动抑制方法的有效性。最后,搭建了基于DSP+FPGA为控制核心的单相的四象限级联H-NPC变换器实验平台。对本文所采用的变频器设计方法与直流侧二倍频波动抑制策略进行了实验验证,实验结果证实了变频器设计方法与直流侧电压波动抑制策略的正确性与有效性。