当今世界面临着能源危机和环境污染带来的严峻挑战。大规模发展可再生能源,改变现有能源结构,是解决这一危机的重要途径。电力电子变换器作为电能转换的核心设备,在新能源发电系统中发挥着关键的接口作用。其中,T型三电平功率变换器以其高效率、低谐波等优点备受青睐。然而,电力电子变换器工作环境复杂、恶劣,故障频发。相关数据表明:开关器件故障是导致电力电子变换器故障的主因之一。在线实时诊断变换器开关器件故障,并采取恰当的容错控制策略,是实现新能源发电系统低成本、高性能、稳定运行的有力保障。此外,开关器件故障分为短路故障和开路故障。为实现短路故障下变换器容错运行,现有方法多采用故障隔离技术将其转换为开路故障。因此,国内外学者围绕T型三电平功率变换器开关器件开路故障故障诊断和容错控制策略开展了大量研究工作。然而,伴随着新能源大规模接入电网,T型三电平功率变换器容错技术在场景适应性、中点电压平衡、效率优化等方面面临严峻挑战,具体可概括为:①传统T型三电平整流器故障诊断方法仅适用于单位功率因数运行工况,然而在风力发电系统中,为实现最大功率跟踪,整流器多工作于非单位功率因数模式下,现有方法不再适用;②传统容错控制策略将进一步加剧中点电压不平衡,带来开关器件应力增加、直流母线电容寿命缩减、电流谐波畸变率变大等系列难题;③现有容错控制策略运行效率低下,成为制约能源利用率有效提升的关键技术难题。为此,本文以T型三电平功率变换器为研究对象,围绕开关器件开路故障故障诊断方法及容错控制策略两方面展开研究,以期提高系统场景适应性、可靠性和效率。论文的主要研究工作和创新如下:针对T型三电平整流器开关器件开路故障传统诊断方法适用范围窄、难以满足多场景适应等难题,提出一种基于瞬时电压误差的故障诊断新方法。新方法利用系统实测电压与估计电压误差诊断开关器件故障。首先,根据线电压误差绝对值并结合滞环比较和查表实现了故障的快速诊断。为避免线电压高频成分对故障诊断造成的不利影响,分别对测量值和估算值进行低通滤波处理,增强了诊断的可靠性。其次,结合直流母线电压波动幅值,进一步实现了故障器件精确定位。该方法不依赖于特定工况下的故障特征,可实现非单位功率因数运行模式下的故障诊断,完善了 T型三电平整流器故障诊断方法,为容错控制策略的应用奠定了坚实的基础。中点电压不平衡包括中点电压直流偏差和中点电压振荡,是三电平功率变换器的固有难题,易导致开关器件应力增加、电流总谐波畸变率偏高等系列问题。针对传统容错控制策略中点电压振荡大的问题,提出了两种适用于内开关管开路故障条件下的容错控制新方法:改进型单相两电平切换容错控制策略和混合切换容错控制策略。首先,为实现功率变换器容错运行,前者中O状态在全周期内均不参与故障相电压合成,而后者为保持三电平功率变换器谐波小的优势,O状态仅在受影响半周期内不参与故障相电压合成。其次,两种方法通过巧妙的选择三相导通时刻,有效抑制了中点电压振荡。仿真和实验结果表明,两种方法在中点电压振荡抑制方面较传统容错控制算法性能提升100%以上。此外,两种容错控制策略相比,混合切换容错控制策略谐波性能好,更适用于电能质量要求较高的场合,如并网发电领域。而改进型单相两电平切换容错控制策略虽然谐波性能略低,但计算简单、对控制器性能要求不高,更适合于谐波要求不高、成本要求苛刻的应用场景。为兼顾中点电压直流偏差和中点电压振荡问题,针对不同开关管开路故障,分别提出了基于载波调制的内开关管容错控制策略和基于载波调制的外开关管容错控制策略。其中,前者首先在故障相中利用单载波取代双载波,避免使用故障状态,实现了功率变换器低谐波容错运行。其次,通过零序分量注入法,引入直流偏差补偿值和交流偏差补偿值,有效抑制了中点电压直流偏差和振荡。与传统容错控制策略相比,中点电压平衡调节时间大幅缩减且振荡幅值减小为原来的50%以下。后者,则通过合理选择零序电压分量,并辅以恰当的中点电压偏移量,实现了中点电压快速、精准调节。与传统容错控制策略相比,该策略中点电压调节速度提高了一个数量级,同时振荡幅值减小为原来的一半。总而言之,上述两种新型容错控制策略均可有效调节中点电压、减小开关器件电压应力、延长变换器寿命、降低电流总谐波畸变率,对实现功率变换器高性能容错运行具有重要的学术和工程价值。功率变换器转换效率是决定能源利用率的关键核心性能指标之一。针对现有T型三电平功率变换器容错控制策略运行效率低,散热系统体积大、成本高等问题,提出了一种兼顾开关损耗降低及中点电压平衡的容错控制新方法。新方法探明了载波类型、载波方向及零序电压分量与输出电压波形之间的内在联系,实现了功率变换器高质、高效运行。首先,新方法通过合理选择单/双载波实现了功率变换器容错运行。其次,基于零序电压分量注入法,选择不同箝位状态,实现了中点电压调节和开关周期内开关次数减小。最后,合理选择载波方向,有效减少了开关周期间开关次数。仿真和实验表明,相较于传统容错控制策略,本方法可显著提高功率变换器运行效率,为发挥功率变换器最大能力,提高能源利用率具有重要意义。综上所述,本文以新能源发电系统中广泛应用的T型三电平功率变换器为研究对象,围绕开关器件开路故障,在故障诊断及容错控制策略方面取得了系列创新性研究成果:①提出了一种宽功率因数范围适用的故障诊断新方法,完善和发展了现有故障诊断方法;②探究了中点电压不平衡运行机理,针对性的提出了两类容错控制策略,有效抑制了中点电压不平衡,改善了交直流侧电能质量;③提出了一种降低开关损耗的容错控制新方法,有效提升了功率变换器运行效率。本文的研究成果为保障T型三电平功率变换器安全、可靠、高质量、高效运行提供了重要技术支撑。