学术简报｜级联型逆变器载波循环功率均衡控制方法及比较
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南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室的研究人员陈仲、许亚明等，在2018年第20期《电工技术学报》上撰文指出，在级联H桥型逆变器中，载波同相层叠（PD）调制策略虽然输出线电压具有最优的谐波特性，但无法实现级联单元间输出功率均衡。
针对这个问题，提出两种基于PD调制策略的载波循环功率均衡控制方法，所提方法在改进型PD调制策略的基础上，通过对载波进行周期性的循环移动，可以有效实现级联单元间的功率均衡控制，且保留了PD调制策略下逆变器输出电压谐波特性最优的特点。
以三单元级联H桥逆变器为例，首先对改进型PD调制策略下级联单元输出功率特性进行数学推导；其次分析两种所提功率均衡控制方法实现机理并对其特性进行比较，揭示两种功率均衡控制方法的优缺点以及适用场合。最后通过仿真和实验结果验证了理论分析的正确性与所提方法的可行性。
近年来，在中高压、大功率场合，多电平变换器因其具有输出电压畸变小、开关管电压应力低、开关损耗少等优点，被广泛应用于新能源发电、静止无功发生器（Static Var Generator, SVG）、有源电力滤波器（Active Power Filter, APF）和电机驱动等场合。而级联H桥型（Cascaded H-Bridge, CHB）逆变器，作为一种最常见的多电平变换器，在模块化设计、串联拓展、调制策略适用性等方面具有显著的优势，且得到普遍关注。
CHB型多电平逆变器中级联单元均采用独立的直流电压源供电，一般希望级联单元输出功率相等，以控制级联单元的直流电源放电特性一致，一方面可以保证电源具有相似的使用寿命，从而降低系统维护成本；另一方面可以保证级联单元直流侧电源电压相等，从而避免在逆变器输出电压中引入大量的低频谐波分量。
当载波移相（Carrier Phase Shift, CPS）调制策略应用于CHB型多电平逆变器中时，可以保证级联单元输出功率的自均衡，即级联单元直流侧电源具有相同的放电特性，但是由于载波相位不一致，会在逆变器输出线电压中引入额外的dv/dt，导致线电压谐波特性变差。而采用载波同相层叠（Phase Disposition, PD）调制策略可以改善逆变器输出线电压谐波特性，但是PD调制策略会造成级联单元间输出功率严重不均衡。
为了解决PD调制策略下，级联单元输出功率不均衡问题，需对传统的PD调制策略进行改进。文献[16]提出了一种改进的脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）控制方法，该方法通过在每个输出周期结束时互换级联单元对应载波在空间上的位置，达到动态调整载波幅值的目的，最终可以在几个输出周期内实现级联单元间功率均衡控制，但是功率均衡所需时间随着级联单元数的增多而延长。
文献[17]提出了一种适用于两单元H桥级联逆变器的改进PD调制方法，通过在每个载波周期结束时互换级联单元对应载波在空间上的位置，可以在几个载波周期内实现级联单元间功率均衡控制，但会额外增加功率器件的开关次数。
文献[18]提出了一种结合CPS和PD调制策略优点的空间矢量调制策略，该方法在CHB型五电平逆变器中取得了很好的控制效果，可以实现级联单元间功率自然均衡。但采用基于状态机的实现方法，限制了其向更多电平逆变器进行拓展。
针对三单元CHB型逆变器级联单元间功率不均衡问题，本文首先分析改进型PD调制策略的工作原理和输出特性，同时指出其相比于传统PD调制策略的优势；其次在改进型PD调制策略的基础上，提出两种基于PD调制策略的载波循环功率均衡控制方法，并对所提方法的功率均衡实现机理以及功率均衡所需时间等性能参数进行详细对比分析。最后，通过仿真和实验进行验证。
图1 CHB型七电平逆变器拓扑
在CHB型多电平逆变器中，相比于传统的PD调制策略，改进型PD调制策略可以减少三角载波数量，简化控制难度，改善级联单元之间功率分配不均的现象，但仍然无法实现全部级联单元间输出功率的完全均衡。为了解决这个问题，本文提出了两种基于PD调制策略的载波循环功率均衡控制方法，理论分析、仿真和实验结果表明：
1）在不改变逆变器输出电压谐波特性前提下，两种基于载波循环的功率均衡控制方法均能实现级联单元间功率均衡。
2）基于1/4个输出周期载波循环的功率均衡控制方法通过对1/4个输出周期载波的循环移动，实现了级联单元输出电压脉冲的循环移动。但所需功率均衡时间随级联单元个数增加而增加，适用于级联单元个数较少的场合。
3）基于载波周期载波循环的功率均衡控制方法，通过对载波周期载波的循环移动，改变了级联单元输出电压特性，虽额外增加功率器件的开关次数，但可以在一个输出周期内实现级联单元间的功率均衡控制，适用于级联单元个数较多的场合。