随着风电、光伏等可再生能源的迅速发展,以集中调度为主的传统电网已无法适应日益增长的分布式可再生能源并网需求。能源互联网作为一种以现有配电网为基础、将互联网和电力电子技术相融合以实现能源可靠调控的新型电网组合方式,能够更好地完成分布式能源的并网与消纳,提高其能量利用率。交直流组网是能源互联网的重要趋势之一,其中,能量路由器是实现组网的核心设备,它是由大功率电力电子构成的多端口变换器,能实现多电网互联以及功率双向流动。多电平模块化变换器具有模块化结构易向高压大功率拓展、多电平输出电压谐波小、开关损耗低等优点,在新能源并网领域有广泛应用。论文针对能源互联网的多端口拓展需求,围绕多端口变换器的拓扑演化及其存在的共性问题开展研究,论文取得的主要研究内容如下:(1)在两端口的六边形模块化变换器基础上,提出了一种三端口的九边形模块化变换器,并将其与六边形模块化变换器统一于多边形模块化变换器这一概念下。对多边形模块化变换器拓扑进行统一建模,得到了桥臂功率的数学模型,通过桥臂功率的频率组成成分的分析,验证了桥臂功率不平衡现象为多边形模块化变换器的固有特性。(2)深入研究多边形模块化变换器的桥臂功率不平衡现象,通过将多边形模块化变换器与级联型矩阵变换器进行对比,得到了多边形模块化变换器桥臂功率不平衡现象的产生机理。通过定义不平衡功率比和应力增加比这两个指标,对桥臂功率不平衡程度及其所造成的功率器件电压电流应力增加进行了量化,得到了系统参数与端口数量对不平衡功率比和应力增加比的影响规律,并计算了不平衡现象最恶劣时的最大应力增加比。(3)针对三端口九边形模块化变换器的桥臂功率不平衡补偿问题,推导出了该拓扑的功率平衡条件,并运用平均值模型对桥臂建模,得到了环流与中性点偏置电压之间的数学关系,从而计算得出了控制所需的参数。在此基础上,提出了桥臂功率平衡控制策略,通过注入中性点偏置电压控制环流以抵消不平衡功率,从而实现了变换器的稳定运行,并计算得到了电容电压波动量,对九边形模块化变换器子模块电容参数进行了设计。(4)针对交直流组网问题,探讨了九边形模块化变换器的直流端口拓展问题。通过在其各子模块的低压直流侧加装双有源桥型DC-DC变换器,引入低压直流端口和中压直流端口,并对这两种端口的故障保护分别进行探讨。针对低压直流端口故障,研究基于固态断路器的故障关断特性,建立了故障关断各阶段的数学模型,设计了适用于低压直流故障关断的保护电路。针对中压直流端口故障,为应对多端直流微网的接入需求,提出了一种多端口混合式断路器,对多个混合式断路器进行集成,在不明显增加电压/电流应力的前提下,以更小的成本和体积实现多条线路的故障保护。