多电平直流环节（Multilevel DC-Link, MLDCL）逆变器由于输出波形质量高、功率器件较少、开关频率低、便于模块化和控制灵活等优点，已成为多电平变换器领域的一个研究热点，越来越被广泛应用于新能源发电和电机驱动。但现有MLDCL逆变器仍存在电路拓扑及控制复杂、直流变换单元难于升压等的不足，影响到系统的性能。本文主要对MLDCL逆变器电路结构进行研究，分析了MLDCL逆变器电路结构优化、电能变换效率与波形质量控制技术。主要研究成果与创新点有:探讨了MLDCL逆变器主电路拓扑结构的拓展方法，设计了一类混合型MLDCL逆变电路结构，具有输出波形质量高、器件相对较少的优势。分析了Newton-Raphson方法求解MLDCL逆变器SHEPWM非线性超越方程组存在计算难度大的根本原因，设计了方程组求解时初始值选取的方法和收敛范围更宽的基于Newton下山法的SHEPWM方程组计算方法。针对Newton下山法存在矩阵奇异或病态的情形，提出了可强迫矩阵正定的改进型Levenberg-Marquardt迭代计算SHEPWM方程组的方法。设计了基于PSO算法的SHEPWM方程组求解方法，克服了数值法求解SHEPWM方程组时矩阵求逆和初值选取困难。针对MLDCL逆变器各直流变换单元输出功率不相等的不足，设计了基于功率均衡的SHEPWM方法。该方法通过调整各直流变换单元的控制角，得到并求解新的SHEPWM方程组，在二分之一个相电压周期内实现了宽调制度范围的功率均衡。针对基于功率均衡的SHEPWM方法计算量大、直流变换单元数量受限的缺点，设计了一种基于调制波循环分配策略的MLDCL逆变器SPWM功率均衡控制策略，实现了任意直流变换单元的功率均衡。为了克服常规MLDCL逆变器直流变换单元不能升压的不足，提出了一种直流变换单元具有升压功能的Z源多电平直流环节逆变器电路拓扑，并设计了最大调制比的SPWM方法，具有高可靠性、高增益、电源电流连续等优点。