随着风电光伏在电力系统中装机容量所占比例日益增加,大规模光伏和风电接入对电力系统调度和控制的影响也逐渐引起关注。然而,对于现代电力传输系统而言,可再生能源发电系统中并网变换器仍然是较为薄弱的环节。工业现场调查结果表明,功率型电力电子开关器件(IGBTs,MOSFETs)是最为薄弱的系统部件。为实现并网变换器开关器件故障后容错运行,提高变换器并网运行时间和效率,容错型并网变换器的研究越来越受到重视。为此,本文集中研究了三相PWM变流器中单一桥臂功率开关器件故障这一极为常见工况,对基于三相四开关容错型并网变流器的建模、调制和控制进行了详细的研究,以期实现故障前变流器高性能并网运行和故障后变流器稳定可靠的容错并网运行。为实现理想条件下变流器高性能并网运行,本文提出了一种基于离散域的三相PWM变流器小信号数学模型。相比于传统基于连续域的数学模型,该模型能清晰描述系统固有参数、采样时间、数字PWM调制单元和系统延时对动静态性能的影响。实验结果验证,基于该模型设计的系统调节器可以确保三相PWM变流器实际动静态性能与期望设计性能一致,实现PWM变流器并网性能最优目标。针对提高并网变流器容错运行可靠性以避免变流器二次故障的现实需求,本文通过研究可靠的控制策略、建立详细的变流器数学模型和探究优化的矢量调制算法三个方面的综合优化设计加以解决。首先,本文将三相电流总纹波、共模电压和电容电流定义为影响变流器稳定容错运行的三个关键性指标。探讨了并网电流中高次谐波、电容电流中高频纹波以及共模电压有效值与零矢量分配之间关系,并将有效值方法应用于分析零矢量分配对三个指标的影响。通过详细的数字分析和实验研究,揭示了零矢量分配对变流器稳定运行的影响,为变流器容错运行关键性指标的单一优化或兼顾优化奠定理论基础。其次,为实现容错运行下良好的并网电流品质,提出了一种容错运行变流器并网电流品质综合优化方案,兼顾优化并网电流中的高频谐波电流与低频谐波电流。分析了线性调制与直流电压、负载电流之间的数学关系,提出了一种新型线性调制函数以杜绝因过调制而产生的低次谐波电流。同时,基于前述分析,采用最优化的矢量调制算法以减小并网电流中的高次谐波电流,最终实现容错运行模型下并网电流品质综合优化。此外,为防止变流器故障后出现二次故障,提出了确保并网变流器故障后稳定运行的综合优化方案。该综合优化方案包括:一种无需锁相的容错运行变流器控制策略、基于比例调节器的中性点电压控制策略和最小化电容电流应力的电压矢量调制策略。另外,为防止因电容电流应力过大引起电容故障,进而引发变流器二次故障,提出了一种减小电容电流应力的混合矢量调制算法。混合调制算法将矢量平面分为四个扇区,第一、三扇区宽度占1/3;第二、四扇区宽度占2/3。不同扇区使用不同的零矢量分配组合,以实现无效占空比与电流幅值的最优组合。数值分析和实验结果表明,相比于传统调制算法,所提混合矢量调制算法能够大大降低电容电流应力,有力避免因电容故障而造成变流器二次故障。