模块化多电平矩阵换流器（Modular Multilevel Matrix Converter,M³C或MMMC）作为一种新型的ac/ac功率变换器拓扑结构,旨在实现三相到三相的直接转换,适用于大功率低速电机驱动和大功率风能转换系统,在未来高电压大功率异步互联系统中以及无源网络尤其是海上风电场并网有着广阔的应用前景。本文在总结前人研究成果的基础上,从以下几个方面对M³C在ac/ac系统应用中的关键问题进行了深入研究:（1）理论研究和仿真分析了3×3型模块化多电平矩阵换流器（M³C）及六角形模块化多电平换流器（Hexverter）的拓扑结构与工作原理。首先,介绍了双αβ0坐标变换及M³C在该坐标下的数学解耦模型,并进一步推导分析其桥臂支路电容电压和功率矩阵元素在αβ坐标系下的物理意义。通过数学分析指出了M³C在等频率运行工况下存在的问题,可以通过施加额外环流来抵消其功率分量中的差频成分;其次,分析建立了Hexverter支路电压、电流与支路功率的数学表达式,同时指出两侧系统无功功率不相等将引起其相邻支路之间存在有功功率差异。最后,通过对比M³C在非等频率运行和等频率运行两种工况下的仿真波形,指出了在等频率运行条件下,同一子换流器内部的三个桥臂支路电流之间明显不再对称,理论推导分析表明正是由于额外施加的环流和原有支路电流之间相互抵消造成幅值的不相等。而对于M³C的设计制造而言,无论从器件选型还是散热系统设计,当然希望各个桥臂支路保持一致对称性,所以从对称性角度考虑,文中进一步指出可以通过额外再施加中性点电压来消除这种单独靠环流造成的支路电流不对称现象。（2）研究了换流器Hexverter子模块电容参数的设计方法并建立了M³C的状态空间方程。首先,详细分析了Hexverter支路功率的频率构成分量,包含若干种频率成分:f₁,f₂,f₁±f₂,2f₁,2f₂,0（恒量部分）。针对f₁≠f₂且Q_g1=Q_g2与f₁=f₂且Q_g1≠Q_g2两种不同工况,分别推导了支路电压、电流表达式和子模块电容器的电压波动方程,得出了各工况下支路瞬时功率分量。从能量脉动角度出发,分别建立了支路能量脉动函数与子模块能量脉动函数,进而通过子模块电容存储能量与其额定电压之间的关系,并结合子模块电容电压纹波系数,推导出子模块电容参数取值的表达式。其次,分析了M³C环流路径及独立环流数目,确定了状态变量和输入变量的数目,选定四个独立的环流路径及相应的状态空间变量。在此基础上,通过数学推导建立了M³C状态空间方程。（3）研究了换流器Hexverter的损耗特性。通过提取绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块的数据进行拟合得到IGBT及其续流二极管的通态特性和开关特性参数。对子模块工况进行详细分析,根据全桥子模块的输出特性得出各器件导通范围及导通时间,进而推导出通态损耗和开关损耗的理论计算表达式。最后,通过10kV等级系统仿真算例对换流器的总损耗以及子模块在不同工况下各个器件的通态损耗和开关损耗分别计算,从中得出子模块内损耗分布特性。（4）提出了一种基于Hexverter的分布式蓄电池储能系统,重点研究了多个蓄电池单元之间的SOC（state-of-charge）均衡问题,包括支路间SOC和支路内单个子模块间SOC均衡控制。提出了一种新的SOC均衡控制策略,整个控制分为两部分:一次侧和二次侧系统功率控制和SOC均衡控制。基于内模原理通过控制支路电流来实现换流器六个支路之间的支路SOC均衡和单个支路内n个级联单元之间的SOC均衡。（5）提出了一种基于M³C的ac/ac系统在二次侧交流系统发生不对称故障时的故障控制策略。基于双αβ0坐标变换下M³C的数学模型,分别设计了一次侧和二次侧系统的解耦控制策略。针对二次侧交流系统的不对称故障工况,将电压、电流的正序分量和负序分量分离提取出来,采用比例谐振控制器（PR）同时调节正、负序电流,实现了αβ坐标系下的解耦控制。电容电压均衡控制由整体电压控制、子换流器间均衡控制、子换流器内均衡控制和支路内单个子模块均衡控制四部分构成,通过调节四个环流来实现电容电压均衡。