功率变换器在工业、电气化交通运输、电力系统、新能源、以及家用电器等领域被广泛应用。据产业统计分析,在功率变换器投入使用过程中,功率变换器功率器件是故障率最高的元器件之一,主要表现为功率器件开路故障和短路故障,其中,短路故障目前有较为成熟的硬件保护电路和软件保护算法,开路故障还处于研究和实验阶段。本文以两电平三相电压源整流器和逆变器为研究对象,以相电流为信源,对其功率器件开路故障的机理分析、在线检测和识别等开展了深入的研究,主要的研究内容和研究成果如下:针对两电平三相电压源整流器,提出了基于网侧电感能量存储分析的功率器件单管和复合管开路故障在线检测和识别方法。根据网侧三相电压过零点将一个周期内的电压电流分为六个状态区间,每个状态区间有且仅有两个有效的线线电压及三个功率器件工作,功率器件开路故障会引起电感能量在某些状态区间中异常,且不同故障类型会引起不同状态区间异常。将相邻线线电流交点均值构成的包络线与线线电流波峰波谷值进行比较,比较结果用于衡量能量存储的正常异常,基于此设计在线、快速、精准的诊断算法。同时分析验证了所提出算法在网侧电能质量扰动和系统、负载侧扰动下的鲁棒性问题,比较了所提出算法与同类算法的综合性能指标,突出了所提出算法的优势。针对两电平三相电压源逆变器,定义了等位点及等位点函数的概念,并给出了等位点函数的设计要求,基于此提出了一种功率器件单管、复合管开路故障的在线检测和识别方法。故障情况下,桥臂中心点互为等位点的信息在改变,利用等位点函数值及差值设计在线、快速、精确的诊断算法。同时分析验证了所提出算法在电机变速、变载等瞬态过程的鲁棒性问题,论述了算法阈值调整的规则,比较了所提出算法与同类算法的综合性能指标,突出了所提出算法的优势。针对周期性信号,提出了一种简化的在线傅立叶级数计算方法,将原始信号去直流偏置后进行数据重构,对重构信号与给定信号进行卷积运算,从而估算原始信号的傅立叶级数,实验结果表明所提出的在线傅立叶级数计算精度逼近快速傅立叶计算精度。将所提出的简化傅立叶级数计算方法应用于逆变器相电流分析中,结合一种新颖的直流分量和交流分量归一化算法,选择归一化直流分量和基波分量,设计了在线、快速、精确的故障识别算法。同时分析验证了所提出算法在电机不同转速、不同负载下的有效性问题,论述了算法阈值调整的规则,比较了所提出算法与同类电流谱分析算法的综合性能指标,突出了所提出算法的优势。针对拓扑结构显著对称的工程结构定义了网格系统,基于四个假设,建立了基于矩阵扩展秩的系统节点故障检测和识别理论。两电平三相电压源整流器和逆变器拓扑结构具有显著对称性特点,基于网格系统诊断理论,提出了一种基于距离公式度量电流相似性、进而表征拓扑结构全局对称和局部对称的诊断思路。并提出了两类现实方案:一是对原始相电流进行过零点数据重构,同时分析其趋势,利用欧式距离、相关系数、夹角余弦、动态时间弯曲等距离度量公式定量分析重构电流链表和趋势电流链表的相似性,进而表征拓扑结构桥臂的对称性,然后结合相电流极性、均值设计以及过零点百分比等特征量在线、快速、精确的诊断算法;二是对原始相电流进行核密度估计、分析其概率密度,或分析其交流分量的能量函数,利用欧式距离等度量密度函数与能量函数的相似性,进而表征拓扑结构桥臂的对称性,然后结合相电流均值设计在线、快速、精确的诊断算法。最后从阈值可调节范围和算法有效性两个方面对不同的距离度量公式进行了比较,得出欧式距离在本课题的研究中表现最优,同时对多种诊断方案在算法计算复杂性和鲁棒性两个方面进行了比较,趋势电流链表配合欧式距离的方案表现最优;最后,比较了所提出算法与同类电流谱分析算法的综合性能指标,突出了所提出算法的优势。本文通过不同的角度,深入研究了以两电平三相电压源整流器和逆变器功率器件单管及复合管开路故障的故障机理,基于系统电流信号,提出了不同的故障检测及识别方法。大量的实验结果表明,所提出的算法具有诊断时间快、精度高、鲁棒性强、实现成本低、阈值调整较少等特点。本文的研究工作可以作做功率变换器在线监测、报警系统,同时提供故障信息给维修决策系统及容错控制系统,作为核心技术之一,可以大幅提高功率变换器的可靠性,具有较大的工程价值和经济效益。