随着半导体技术的发展及电力电子器件的更新换代,交流电机变频调速系统在工业生产中得到越来越广泛的应用,同时对于变频调速系统的可靠性和安全性也提出越来越高的期望和要求。大量资料表明,逆变器中功率器件的开关故障是导致变频调速系统失效的主要原因。在故障发生时,能够迅速、准确的判断出故障位置和故障原因,并且有选择性地切除故障元件是保证系统安全运行的最有效的方法之一。针对逆变器的非线性和强耦合性,本文提出将键合图模型应用于逆变器故障诊断中,主要研究内容主要从三相并网逆变器的建模和故障诊断两方面入手,针对开关功率器件中常见的开路故障和短路故障进行了深入的探讨和研究。首先,在建模方法选取上,大功率逆变器在工作时呈现出离散动态特性和连续动态特性两种特性,而且这两种动态特性相互作用,进而呈现出混杂特性。对于这种混杂系统,为了准确实现系统的故障诊断,所构建的系统模型必须做到同时涵盖和反映这两种特性,即离散动态特性和连续动态特性。对于这种复杂系统而言,如果采用一般的数学建模方法,常常过程复杂、极易出错,而且物理系统的异质性容易导致数学上的异构性,在建模过程中往往发生严重病态,难以数值求解;如果采用一般的力学、电磁原理等分别建模再拼装成统一方程,继而转换为状态方程,这在技术上繁琐困难,极易导致关联变量的产生和模态的丢失。为了能够有效克服以往建模方法选取上的缺陷,保证建立的模型能够较好地反映系统的性能,本文从能量角度考虑,针对逆变器这种混杂系统,提出了采用键合图理论建立系统模型和应用神经网络进行故障诊断的方法。其次,以三相并网逆变器为研究对象,研究并建立了基于开关功率节点的系统键合图模型,通过在20-sim仿真平台上搭建键合图模型,获取三相并网逆变器各功率管在正常工作情况下的仿真响应曲线,与实际曲线相比,可以证明键合图建模方法作为一种混杂系统的建模仿真工具在风力发电系统并网逆变器的建模问题上具有独特的优越性。最后,针对开关功率器件经常出现的开路故障和短路故障,基于解析冗余分析方法和神经网络的方法,进行了故障诊断方面的研究工作。在键合图模型的基础上,导出系统的时间因果图,用以描述系统变量之间的因果关系。根据因果关系推导出各个节点的解析冗余关系,进而推导出逆变器各个开关器件的故障特征矩阵,通过故障对解析冗余关系所引起的变化得到的故障特征矩阵和各个开关器件的故障特征矩阵比较从而得出故障及其状态。由于上下桥臂故障特征相同,这样,依靠解析冗余关系来分析系统的故障状态以及故障原因就比较困难,从而提出了应用神经网络对各个提取出的数据进行分析,进而得出故障类型和故障位置。通过仿真验证了此种诊断方法的正确性与可行性,与定性的方法相比,该方法具有较高的精确性的优点。本文不仅为键合图理论和其他方法相结合在电力电子系统中的故障分析拓宽了视野,也为键合图理论在混杂系统中的建模提供了依据。