多电平变流器因其具有输出电压谐波含量低、较低的器件电压应力和系统EMI小等优点而备受研究者们青睐,并被应用于高压电机变频调速、高压直流输电、柔性交流输电、可再生能源发电等领域。目前广泛采用的多电平变流器拓扑主要有三种:级联型、二极管中点钳位型和飞跨电容型。但是,现有传统多电平拓扑都存在一定的局限性。随着多电平变流器的应用越来越广泛,如何能进一步简化其结构,减少使用的功率开关器件,降低其体积与成本也越来越受到重视,而且随着功率半导体器件技术的发展,如何充分利用开关速度较快但耐压较低的器件和耐压值较高但开关频率较低的器件各自的优点,使系统结构更加优化也受到广泛关注。然而随着电平数的增多,功率开关器件数量急剧增加,电路拓扑和控制的复杂度也随之增加,从而使变流器系统可靠性降低。可靠性已成为衡量变流器性能指标如功率密度、效率及输出电能质量等的另一个重要标准。采用容错技术是提高变流器系统可靠性的主要途径之一。多电平变流器本身具备一定的冗余能力,即通过降低电压电平数和输出功率的途径可释放部分冗余资源,从而保证系统在故障下仍具备容错运行的能力。基于以上两个方面,本论文从多电平变流器拓扑结构的优化及利用容错技术提高其可靠性展开研究。主要从新型混合多电平变流器拓扑结构、控制策略、故障诊断与容错控制方法展开系统深入的研究。论文主要研究内容包括以下几个方面:研究了混合型多电平变流器拓扑的演变方法,用以推导得到各种传统的或新型多电平变流器拓1.研究了混合型多电平变流器拓扑的演变方法,用以推导得到各种传统的或新型多电平变流器拓扑。基于多电平单元拓扑串-并/并-串的思想,分别提出了三种混合型多电平变流器拓扑的演变方法,并推广得到了任意电平的一般性拓扑结构。针对混合有源箝位型多电平变流器和混合堆叠式多电平变流器,分别研究了变流器的开关状态和运行原理,并在器件使用数量、器件电压应力、功率损耗等性能方面进行了综合分析。2.研究了多电平变流器的数学建模,对T型三电平并网变流器系统分别建立了高频开关函数模型和低频状态平均值模型。针对基于飞跨电容的多电平变流器建立了通用性数学模型。通过仿真和实验验证了所建数学模型的准确性。3.研究了混合多电平变流器的调制和控制策略,基于多载波脉宽调制方法,提出了改进的混合多载波调制方法。在此基础上分析了中点电容电压和飞跨电容电压的平衡机理,并提出了三种不同的有源电容电压平衡控制方法。仿真和实验结果验证了混合调制和电压平衡控制的有效性。4.研究了混合多电平变流器的模型预测控制策略,建立了混合多电平变流器系统离散时间数学模型,用以获得变流器控制量的预测模型。结合混合有源钳位多电平变流器拓扑的特点,提出了一种不同电容电压参考的模型预测控制方法,实验结果验证了模型预测控制策略的有效性。5.研究了多电平变流器的故障诊断和容错控制策略。提出了一种容错型三相四桥臂T型三电平变流器拓扑,并提出了相应的故障隔离、故障定位和容错控制方法。针对T型混合有源钳位多电平变流器开关管的开路故障,分析了开关管故障对输出电压电平、开关状态切换和电容电压状态的影响。通过各种故障波形的特征分析,提出了开关管的开路故障分类和故障定位的规则,并提出了基于冗余开关状态选择的容错控制方法。仿真和实验结果验证了故障诊断和容错控制方法的有效性。6.搭建了基于d SPACE为核心控制器的多电平变流器系统实验平台。针对混合有源箝位型多电平变流器,设计、研制了高集成度的三相变流器实验样机,编写了控制系统软件程序,用于验证本论文所提出的多电平变流器的调制和控制策略、故障诊断及容错控制方法。