贯通式牵引供电系统作为可完全取消电分相装置、显著提高牵引供电能力和改善电能质量的新型牵引供电系统具有广阔的应用前景。而级联逆变器作为贯通式牵引供电系统与牵引网相连接的设备,其性能好坏直接影响牵引网的电能质量。由于贯通式牵引供电系统采用了大量功率开关器件,其抗冲击能力较差,导致故障率较高,影响列车运行的安全性。因此,级联逆变器功率开关器件的在线快速故障诊断和系统重构研究对提高牵引供电的安全性和可靠性具有重要意义。本文以ANPC三电平级联逆变器为研究对象,首先对贯通式牵引供电系统结构进行了介绍。然后,建立了ANPC三电平逆变器的数学模型,并对电容电压不平衡问题进行了分析,重点研究了电感辅助均压电路的四种工作模态和三种典型工作状态类型。研究了ANPC三电平级联逆变器的工作原理和控制策略,通过对载波层叠调制策略和载波移相调制策略特点的分析,采用了载波层叠和载波移相相结合的调制策略。本文以桥臂为单元对ANPC三电平级联逆变器功率开关器件的故障类型进行研究,分析各故障类型的故障特征。通过对功率开关器件开路故障状态下桥臂电压过零附近电压畸变的机理进行分析,进一步完善功率开关器件故障状态下桥臂电压故障特征的分析。根据对各故障类型桥臂电压故障特征的分析,提出了基于开关序列的功率开关器件故障诊断方法。根据开关序列对故障桥臂电压进行锁定,并将锁定的桥臂电压组合与系统存储的故障特征对比分析,实现功率开关器件的故障诊断。在实现在线故障诊断的基础上,为提高ANPC三电平级联逆变器的可靠性,对级联系统重构策略进行研究。首先,对ANPC三电平逆变器模块在各故障类型下的电压矢量进行分析。然后,根据对故障模块电压矢量的分析,提出了级联系统的重构策略。利用故障桥臂中无故障的功率开关器件旁路故障桥臂,实现级联系统拓扑结构重构。随后,根据拓扑结构重构后级联系统的结构特点和载波统一调制的思想,对级联系统的载波进行重构以确保级联系统端口输出电压具有良好的谐波特性。最后,搭建ANPC三电平级联逆变器的仿真模型及其小功率实验平台,仿真和小功率实验验证了提出的故障诊断方法和系统重构策略的正确性。仿真和实验结果表明基于开关序列的故障诊断方法能够快速精确定位故障功率开关器件,系统重构策略能够在故障特征出现后的一个调制波周期内实现系统重构。