南京航空航天大学许亚明、陈仲、孙健博等：基于载波重构的级联逆变器功率均衡调制策略
许亚明，陈仲，那显龙，孙健博
DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170433
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导语
针对已有调制策略应用于级联H桥型（Cascaded H-Bridge, CHB）逆变器时存在的不足，本文重点对其调制方法进行深入研究，基于载波重构思想提出一种新型的功率均衡调制策略，并同步改善逆变器的输出谐波特性，这对于进一步提高级联型系统的综合性能、保证其稳定可靠运行以及促进其技术拓展具有良好的理论价值和实际意义。
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研究背景
对于CHB型逆变器而言，载波移相（Carrier Phase Shift, CPS）调制能实现级联单元间功率自然均衡，但输出线电压谐波特性稍逊；载波同相层叠（Phase Disposition, PD）调制能实现最优输出线电压谐波特性，但级联单元间功率不均衡，而输出功率不均衡会造成直流侧电源放电特性不一致，导致电源电压存在偏差，会在逆变器输出电压中引入低频谐波分量，同时易引起电源使用寿命存在较大差异，增加了维护成本。因此，在传统高频调制策略下，CHB型逆变器难以实现输出线电压谐波特性和级联单元功率均衡的协调控制。
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论文所解决的问题及意义
本文以三单元CHB型逆变器为研究对象，在改进的CPS调制策略的基础上，通过实施载波的三次巧妙构造，实现了一种新型功率均衡调制策略。所提策略一方面保留了CPS调制策略中级联单元间输出功率可以实现自然均衡的优点；另一方面融合了PD调制策略中逆变器输出线电压具有最优谐波特性的优点。最终，消除了谐波特性较差和功率不均衡对逆变器的不利影响。
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论文的方法及创新点
1）载波一次重构
对改进的CPS调制策略中的移相载波进行一次重构，如图1a所示。从图中可以看出，一次重构后载波的等效排列方式为载波交替反相层叠（Alternative Phase Opposition Disposition, APOD），此时逆变器具有与APOD调制策略相同的输出特性，线电压谐波特性较差。且经理论计算可知，一次重构后，级联单元间输出功率自均衡的特性保持不变。
2）载波二次重构
为进一步改善逆变器输出电压的谐波分布，本文对图1a所示载波进行二次重构，如图1b所示。从图中可以看出，二次重构后的载波排列方式与PD等效，此时逆变器输出电压的谐波特性与PD调制策略一致，有效改善了输出线电压的谐波特性。理论计算表明，二次重构后，级联单元间也能实现输出功率的自均衡。因此，二次重构方案实现了输出线电压谐波特性和级联单元功率均衡的协调控制。
3）载波三次重构
二次重构后的载波在垂直方向上偏移量的变化，额外增加了开关管的开关次数，导致开关损耗有所增加，为减少增加的开关次数，本文对图1b所示载波进行三次重构，如图1c所示。
显然，三次重构不改变逆变器和级联单元的输出特性。且经对比分析可知，三次重构后的开关次数相比于二次重构减少了8次，有效减少了增加的开关次数，开关损耗随之减少。基于三次重构后的载波排列方式，新型功率均衡调制策略的调制原理如图1d所示。
图1 载波重构示意图及功率均衡调制原理
4）逆变器特性
图2所示为相同仿真参数时，PD调制策略和所提功率均衡调制策略下，逆变器输出电压频谱。可见，二者输出电压频谱分布完全相同，本文的功率均衡调制策略具有优良的输出电压谐波特性。
图2 不同调制策略下逆变器输出电压频谱分布
图3所示为所提功率均衡调制策略下，级联单元输出电压和瞬时输出功率实验波形。由图可知，级联单元和逆变器输出分别为连续变化的三电平和七电平PWM波形。经测量，各级联单元输出平均功率近似相等，实现了功率均衡控制。
图3 级联逆变输出及其功率分配
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结论
本文通过对改进CPS调制策略中的载波进行重构，提出了一种结合PD和CPS调制策略优点的新型功率均衡调制策略。
结论如下：1）所提调制策略可以有效实现级联单元输出功率的自然均衡，且功率均衡所需时间为1/2个重构载波周期；2）在所提调制策略下，逆变器具有最优的输出线电压谐波特性。
许亚明, 陈仲, 那显龙, 等. 基于载波重构的级联逆变器功率均衡调制策略[J]. 电工技术学报, 2018, 33(12): 2831-2840.
Xu Yaming, Chen Zhong, Na Xianlong, et al. Power balance modulation strategy based on carrier reconstruction for cascaded inverter [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(12): 2831-2840.
团队介绍
许亚明
工学硕士，于2017年在南京航空航天大学自动化学院电气工程系获硕士学位，现就职于深圳市禾望电气股份有限公司，主要从事大功率传动变频器，风电变流器等方面的研究开发工作。
陈仲
博士，副教授，主要从事电力电子理论与技术、电能质量控制和特种电源系统的研究，任中国电源学会学术工作委员会秘书长（2014-）。近年来主持完成国家自然科学基金、航空科学基金、教育部博士点基金、台达电力电子科教发展基金等科研项目以及多项科技开发项目，其中获得台达电力电子科教发展计划优秀项目和“十二五”航空科学基金优秀项目各1项。作为第一完成人获得高等学校科学研究优秀成果二等奖1项、省级三等奖1项；发表SCI和EI检索论文50余篇；授权发明专利20余项。
孙健博
南京航空航天大学硕士研究生，研究方向为多电平变换器拓扑及调控技术。