随着工业的发展,电力电子变流器在工业领域所占比重越来越大。人们一方面希望电力电子变流器的容量更大,另一方面要求它具有高功率密度和高可靠性。本文针对这个问题,以大功率交直交PWM变流器为研究对象,通过理论分析、仿真和实验等研究方法,分析了变流器的电磁能量变换过程,深入研究了变流器直流储能与外部能量的交换规律。首先,基于两电平PWM电压源型逆变器和二极管整流器的稳态能量变换过程分析,探讨了电网和不同功率因数的负载通过变流器传递能量的实际流向,归纳了直流储能的波动规律。量化分析了纯无功负载下逆变器和DCM模式下二极管整流器两类情况下系统运行参数与直流储能波动之间的关系,研究了两电平电压源逆变器和两电平二极管整流交直交变流器直流储能滤波电容容值与系统运行参数之间的定量关系,进而确立直流电容参数设计的约束条件。然后,研究了三电平NPC逆变器直流储能稳态时的波动规律及其与系统运行参数的定量关系,进一步研究了稳态下交流侧两边的频率关系、直流侧输入输出功率的相位差对三电平NPC背靠背变流器直流储能波动的影响。建立了三电平NPC背靠背变流器动态瞬时能量平衡的数学模型,分析了输出功率阶跃变化的动态能量平衡过程,提出其直流储能波动的理论最小值。提出了三电平NPC变流器直流储能电容的设计准则。另外,分析了三电平级联H桥变流器直流储能稳态时的波动规律及其与系统运行参数的定量关系,提出了三电平级联H桥变流器直流储能电容的设计准则,并对级联H桥拓扑与NPC拓扑的直流储能电容设计进行了对比。最后,推导了稳态时五电平NPC/H桥变流器直流储能波动与系统运行参数的定量关系,通过仿真验证了功率因数、输出频率、输出电流幅值等对能量变换的影响,提出了五电平NPC/H桥变流器直流储能电容的设计准则,并指导20MW五电平超大功率NPC /H桥变频器样机的直流电容选型,通过样机实验验证了理论分析的正确性和设计选型的合理性。