静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)是柔性交流输电系统中的重要装置之一,与传统无功补偿装置相比,STATCOM可连续调节无功功率,调节速度更快,运行范围更宽,补偿电流谐波含量更少,因而得到越来越广泛的应用;三电平中点钳位式(3-Level Neutral-Point-Clamped,3LNPC)变换器因具有耐压高、输出电压谐波含量少和结构相对简单等优点,已被广泛应用于中低压、大容量的STATCOM中。电网对安全、可靠运行有着极高的要求,STATCOM发生故障会导致连接点电压闪变,线路功率振荡,给电网带来严重的负面影响。3LNPC变换器由于长时间工作在高电压大电流的环境下,是STATCOM中故障率最高的部分,采取适当的故障诊断和容错控制,保障装置在3LNPC变换器故障后能够继续稳定运行,是提高STATCOM可靠性,进而保证电网稳定运行的有效手段。本文将对3LNPC STATCOM在IGBT开路故障下的实时仿真、故障诊断和容错控制展开理论和实验研究,研究成果对于提高3LNPC STATCOM的可靠性和故障应变能力具有一定的理论意义和实际应用价值。提出了一种基于子模型切换的数学建模方法,建立了 IGBT开路故障情况下容错型3LNPC STATCOM的数字实时仿真模型,为安全高效地进行系统的控制和保护程序的开发奠定了基础。针对故障情况下系统的数学模型无法统一为一个表达式的问题,在详细分析故障对系统运行的影响后,将系统模型分解为三个子模型,并推导出各子模型间的切换条件,实现了故障情况下的系统统一建模。基于dSPACE平台建立了结合“快速控制原型”和“硬件在回路”的数字实时仿真模型,仿真步长缩短至1μs,对比实验表明,数字实时仿真模型与实际系统的相似度达到97.5%以上。针对3LNPC STATCOM的IGBT开路故障诊断问题,提出了一种基于网侧电流残差和均方根值的开路故障诊断方法,具有实时性高、诊断速度快和鲁棒性强的优点。该方法利用归一化电流残差值检测故障发生,定位故障IGBT所在的半桥;进而,通过将网侧电流进行分区,根据故障相电流在分区中的归一化均方根值诊断出具体的故障IGBT。实验结果表明:所提故障诊断算法可在10ms内准确定位故障IGBT位置,并对负载突变具有较强的鲁棒性。针对现有多电平STATCOM故障诊断算法存在的算法设计困难、适用性单一的问题,提出了一种采用复合特征提取和支持向量机的IGBT开路故障诊断方法,算法设计具有标准化,通用化的特点,且诊断准确度较高。该方法结合小波包能量谱法和归一化平均电流法,从频域和时域两方面提取网侧电流的故障特征,选用“一对一”多分类支持向量机,采用交叉验证和网格搜索法,建立了最优参数下的多类故障分类器。实时仿真与半实物仿真的结果表明:所提故障诊断方法的诊断准确度达到96%以上。针对3LNPC STATCOM在IGBT开路故障后的容错控制问题,设计了一种三相四桥臂结构的拓扑重构方案,可对单相和两相桥臂的IGBT开路故障进行拓扑重构,并对拓扑重构后带来的系统拓扑类型较多,导致控制器设计复杂的问题,提出了一种基于动态权重系数有限集模型预测控制的控制器设计方法,简化了容错控制算法,有效平衡了容错后系统直流侧的中点电位,并解决了有限集模型预测控制导致的系统开关频率不稳定问题,实现了开关频率的稳定控制。实验结果表明:所提出的容错控制策略可在故障诊断后无间断完成,容错控制后系统可正常稳定运行。本文针对“实时仿真模型的有效性、故障诊断算法的准确性与实时性、容错控制策略的可行性与稳定性”等提高3LNPC STATCOM装置可靠性的关键问题,以dSPACE实时仿真系统为实验平台,以容错型3LNPC STATCOM在IGBT开路故障情况下的实时仿真、故障诊断与容错控制为研究重点,进行了深入的理论与实验研究,实现了 3LNPC STATCOM在IGBT开路故障情况下的稳定运行,研究结果对于提高一类3LNPC并网变换器的可靠性具有一定的理论指导意义和工程应用价值。