摘要：社会进步发展，电力行业的发展也有了很大的进步。三单元九电平逆变器可以用较少的H桥单元输出较多的电平数，同时又拥有较好的输出波形质量。但是传统的混合频率调制策略中只对其中一个低压单元采用PWM调制，这会导致两个低压单元间出现开关损耗与发热分配不均的问题，同时传统调制策略还存在输出功率不均衡问题。针对以上问题本文提出了一种改进混合调制策略以及在该策略下的功率均衡控制方法，该调制策略在保持输出电能质量不变的情况下实现了三个单元之间的输出功率均衡以及开关损耗在两低压单元之间的平均分配。仿真与实验结果验证了本调制策略的可行性。
关键词：混合九电平逆变器改进；调制策略；功率均衡控制方法
引言
多电平逆变器能以耐压值较低的开关器件组合输出谐波含量低、电磁干扰小的多电平电压，广泛应用于中高压大功率电能变换场合。随着电平数的增加，传统的多电平逆变器所需要的开关器件较多，结构复杂，且存在着逆变器效率低、价格昂贵等问题。混合多电平逆变器采用不同耐压值的开关器件，能以较少的功率开关和直流电源输出较多的电平数，提高了输出电压谐波特性、功率密度等，成为了多电平逆变器的一个发展趋势。首次提出利用不同耐压值的开关器件将不同电压等级的功率单元进行级联的混合多电平逆变器，实现以较少的开关器件输出较多的电平数。此后，大量的类似新拓扑层出不穷，其中非对称混合多电平逆变器仅采用单个独立电源就能得到较多电平数，极大地提高了该类拓扑的性价比。
1MHF-PWM调制策略
混合九电平逆变器中有两个电压相同的低压单元，但是传统HF-PWM调制策略中只对一个低压单元进行PWM调制，另一个低压单元仍然工作在低频。此外，该调制策略还存在着输出功率不均衡的问题，低调制度下只有部分单元在输出电平，在调制度低于0.5时高压单元便不参与输出，调制度低于0.25时就只有输出PWM波的低压单元在工作，各单元输出功率不均衡。在高调制度时尽管各单元均有电压输出，但是三个单元输出电压基波幅值之比不能保持为2:1:1，也存在着输出功率不均衡的问题。综上所述，在传统HF-PWM调制策略中两单元间不但开关次数差异巨大，而且存在输出功率不均衡现象，并且在低调制度下这种现象更加严重。如果同时对两个低压单元进行PWM调制，则可以引入级联调制策略中的载波移相或者载波层叠调制策略，以改变两低压单元的输出特性。在此基础上针对传统HF-PWM调制中低压单元开关损耗不同及输出功率不均衡的问题提出了MHF-PWM调制策略，在MHF-PWM调制策略下高压单元H1单元仍旧采用阶梯波调制，这有利于减少高压单元器件频繁开关带来的损耗。低压单元采用PD+PS的方法进行PWM调制，在单个低压单元内采用PD调制，在两个低压单元之间采用PS调制，可以在单位输出周期内自动实现两个低压单元间的功率均衡，同时也可以实现低压单元开关次数及开关损耗在这两单元之间的平均分配。
2概述
多电平逆变器是一种新型逆变器，它通过改变逆变器自身拓扑结构来实现高压大功率输出。与传统的两电平电路相比，多电平逆变器具有功率器件串联均压、开关损耗小、输出电压谐波含量低、电磁干扰影响小和工作效率高等优点，因此被广泛应用于中高压、电力传动与大功率电能变换系统。同时，多电平逆变器作为系统控制的中枢执行机构，其工作的稳定性、可靠性和可维护性显得更加重要。然而，随着逆变器电平数的增加，开关管的数量也随之增加，使得逆变器发生故障的概率增大，严重影响系统的安全可靠运行，因此必须对多电平逆变器中开关管的故障进行诊断。电平逆变器中开关管的故障可分为短路故障和开路故障。由于功率器件短路故障发生的时间一般极短，难以检测，所以短路故障的诊断和系统保护多采用硬件电路设计的方法解决，也可以通过将快速熔断器接入电路，把短路故障转化为开路故障进行处理。当开路故障发生后，系统往往还能继续运行，导致非故障功率半导体器件流过更大电流、转矩减小、发热和绝缘损坏等问题，严重时可以导致整个系统瘫痪，从而造成巨大经济损失。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此，目前多电平逆变器的故障诊断的研究重点集中于开关管的开路故障。按照传统的分类方法，故障诊断方法可分为基于解析模型的方法、基于信号处理的方法、基于知识的方法。本文提出一种全新的故障诊断分类方法，分别从定性和定量的角度对多电平逆变器开关管开路故障诊断方法进行分析，并总结出这些方法的基本思想、研究进展、适用条件和优缺点，最后进一步说明多电平逆变器开关管开路故障诊断方法今后的研究方向和趋势。
3混合九电平逆变器改进调制策略及功率均衡控制方法
3.1电容中点电压平衡控制
电容中点电压的平衡控制的合理与否直接影响到整个九电平逆变器的工作质量。因此电容中点电压的平衡控制必须引起相关控制人员足够的重视。如果电容中点处的电压没有达到平衡，那么偶次谐波则会在负载当中出现。除此之外，电容中点的电压不平衡还可以导致电压应力在开关器件当中逐渐变大，严重的影响了整个九电平逆变器的运行状态。根据有关资料分析研究得知，电容中点出现电压不平衡的主要的原因就是中矢量没有得到很好的控制而造成的。但是，至今还没有一个有效的方法对中矢量实施直接的控制，都是对正负小矢量对进行调整才能达到对中矢量的控制。因此，电容中点的电压平衡与否将直接影响到九电平逆变器整体的运行安全。为了保证九电平逆变器有一个安全的运行环境，必须采取一定的措施对电容中点的电压进行平衡控制。
3.2载波调制法
载波调制法在九电平逆变器控制过程当中起到了非常重要的作用。载波调制法的主要工作原理就是通过比较三角载波信号与正弦调制信号之间的异同来最终对系统需要的PWM信号进行确定。九电平逆变器的控制过程当中经常采用两种载波调制方法。第一种载波调制方法就是将多个三角载波信号与单个正弦调制信号进行分析比较。第二种载波调制方法恰恰与第一种载波调制的方法相反。它是将单个三角载波信号与多个正弦调制信号进行分析比较。九电平逆变器在进行控制的过程当中，一定要根据九电平逆变器的实际运行情况来选择合适的载波调制方法。
3.3特定谐波消除的方法
特定谐波消除的方法在九电平逆变器的控制过程当中同样也发挥了重要的作用。九电平逆变器的这种控制方法与上述控制方法的基本工作原理是相同的。但是，这种控制方法也与上述控制方法存在着不同之处。这种不同主要体现在在对三角谐波信号与正弦调制信号进行比较的过程当中，标准正弦信号不再作为调制过程中的信号，而是将一些零序分量附加在正弦信号上面。开关器件进行控制的好与否将直接影响到是够能够得到所需要的PWM。因此可知，九电平逆变器的特定谐波消除控制方法与载波调制控制方法的不同之处就是零序信号的加设与否。近些年来，在对九电平逆变器进行控制的过程当中，特定谐波消除的控制方法经常被采用。这种控制方法在性能以及实现效果上都优于上述控制方法，因此得到了人们的广泛使用与关注。
结语
功率均衡MHF-PWM调制策略通过对高压单元输出电压基波幅值进行约束，将三个单元的输出功率之比始终控制在2:1:1，实现了全调制度下逆变器输出功率在三个级联单元间的均衡分配。而且，该调制策略在较高调制度下输出的相电压谐波含量相对于MHF-PWM调制策略还略有减小，从而提高了输出电能质量。
参考文献:
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论文作者:潘志坚
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
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