三电平中点钳位型(Neutral-Point-Clamped, NPC)逆变器以其输出电压谐波低，器件电压应力小等优点，广泛应用于高压、大功率场合，如电力牵引系统。随着轨道交通行业的日益发展，人们对轨道交通运行的舒适性和安全性提出了更高的要求。作为轨道交通系统的核心动力部件之一，三电平牵引逆变器的可靠性和安全性直接影响列车的稳定运行。因此，提高三电平牵引逆变器运行过程中的故障检测和容错能力具有重大的现实意义和工程应用价值。本文将对三电平牵引逆变器的开路故障诊断和故障后全速域范围内的相关容错运行控制问题展开理论和实验研究，旨在提高三电平牵引逆变器的可靠性和应急处理能力。
　　本文基于电路分析理论对三电平牵引逆变器各开关管发生开路后的输出电压电流进行分析，并从中提取相应的故障特征。由于基于电流的开路故障诊断方法存在诊断时间较长、动态过程易发生误诊断且难以适用于闭环控制系统中等缺点，故本文提出了基于电压的开路故障诊断算法，可实现闭环控制时三电平牵引逆变器开路故障的快速精确诊断。为进一步提高故障诊断算法的可靠性，本文还提出了基于电压-电流混合信号的开路故障诊断算法。实验表明，基于混合信号的开路故障诊断算法可在一个基波周期内完成单个或两个不同相开关管开路的故障诊断，且可靠性更高，误诊断率更低。
　　为使三电平牵引逆变器故障后仍可实现容错运行，本文以八开关三相逆变器(Eight-Switch Three-Phase Inverter, ESTPI)作为三电平牵引逆变器的容错拓扑，对其异步调制策略进行深入研究。相关文献表明，ESTPI的异步调制策略中，空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)和载波脉宽调制(Carrier-Based Pulse Width Modulation, CBPWM)是相互等效的，故本文从应用范围、开关损耗和输出电压性能等方面对ESTPI的SVPWM算法进行综合比较，以确定最优SVPWM算法作为三电平牵引逆变器容错运行时的异步调制策略。另外，为提高容错运行时三电平牵引逆变器的直流电压利用率，本文提出了基于叠加定理的ESTPI过调制策略，并通过理论推导和实物实验验证了其正确性，与传统过调制策略相比，该方法更加简单直观，计算量更小。
　　为提高三电平牵引逆变器容错运行时的稳定性并保证输出电压性能，本文对ESTPI的中点电位波动问题进行讨论。理论证明了ESTPI存在中点电位波动的必然性，且中点电位波动将导致其输出电压的三相不平衡。因此，本文对ESTPI的异步调制策略进行改进，分别提出基于改进SVPWM和基于改进CBPWM的ESTPI输出电压不平衡抑制策略。其中，基于改进SVPWM的方法通过重构基本电压矢量和调整矢量作用时间来补偿输出电压不平衡，基于改进CBPWM的方法通过调节上下层三角载波幅值来实现三相平衡。实验结果验证了算法的有效性和可行性。此外，理论推导和实验结果均表明，所提出的两种算法在一定程度上是等效，侧面印证了SVPWM和CBPWM的等效性。
　　三电平牵引逆变器大多采用多模式分段调制策略以实现全速域运行，即低速区采用异步调制策略，中速区采用分段同步调制策略，高速区采用方波控制。为保证三电平牵引逆变器容错运行时依然能够实现全速域运行，本文对ESTPI的分段同步调制策略进行研究。通过分析ESTPI同步调制时的输出电压谐波分布情况，本文提出了基于特定谐波消除脉宽调制(Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation, SHEPWM)的ESTPI分段同步调制策略。实验结果表明所提出的算法可完成三电平牵引逆变器在中速区的容错运行，且大大改善ESTPI在低开关频率下的输出电压性能。
　　综上所述，本文以提高三电平牵引逆变器安全性和可靠性为目的，以三电平牵引逆变器故障诊断和容错运行控制为研究重点，深入分析了容错运行时的过调制策略、中点电位波动问题和分段同步调制策略，实现三电平牵引逆变器在全速域范围内的可靠稳定容错运行，对三电平电力牵引逆变器乃至一类三电平NPC逆变器的可靠运行具有一定的理论指导意义和工程应用价值。