3. 多电平调制策略及其测试关注点
多电平变流器的输出质量，很大程度上不取决于主电路拓扑本身，而取决于调制器如何把参考电压“翻译”成各功率器件的开关信号。同一台三电平或五电平变流器，换一种调制策略，开关频率、谐波分布、器件损耗、电容电压波动都会明显改变。因此，HIL测试中调制器既是控制器的输出环节，也是被控对象模型的输入激励源，必须单独关注。
三种典型调制策略的机理差异
载波移相（CPS-PWM）常用于级联H桥和模块化多电平结构。其做法是：每个功率模块使用一路三角载波，各模块载波之间依次错开 2π/N 的相位（N为模块数），再与同一个正弦调制波比较，生成各模块的PWM。由于各模块输出方波在时间上错开，叠加后等效开关频率提高 N 倍，低次谐波相互抵消。以 4 模块级联H桥、载波频率 2 kHz 为例，单模块开关频率仍为 2 kHz，但输出电压的等效开关频率可达 8 kHz，谐波主要落在 8 kHz 及其边带附近。
载波层叠（PD-PWM）多用于二极管钳位型三电平、五电平。它把多个幅值相同、垂直堆叠的三角载波与调制波比较，不同载波层对应不同的电平区间。以三电平为例，正半周用上层载波、负半周用下层载波，输出 +Vdc/2、0、−Vdc/2。载波层叠的谐波集中在载波频率附近，等效开关频率等于载波频率，不像移相那样成倍提升，但实现简单、器件开关次数相对均衡。
最近电平逼近（NLM）是模块化多电平换流器最常用的策略。它不比较载波，而是把参考电压除以子模块电容电压，四舍五入取整，直接决定投入的子模块个数。NLM的等效开关频率很低，接近基波频率的整数倍，因此开关损耗小，但输出电压是阶梯波，低次谐波含量较高，通常需要配合环流抑制和子模块均压控制。
开关频率与谐波特性
开关频率直接决定器件损耗和散热设计。CPS-PWM中每个模块的开关频率等于载波频率，但输出等效开关频率是 N 倍，因此可以用较低的器件开关频率获得较好的输出波形，这是它在高压大功率场合受欢迎的原因。PD-PWM的器件开关频率与载波频率相当，谐波集中在载波频率及其边带，设计滤波器时目标频段明确。NLM的器件开关频率最低，但输出阶梯波的低次谐波（如 5、7、11 次）需要靠环流抑制或附加滤波处理。
在HIL测试中，谐波特性不能只看控制器输出的PWM，还要看被控对象模型输出的电压电流。建议在HIL中同时采集调制器输出的开关信号和模型侧的输出电压，用FFT对比两者的谐波分布，确认调制策略是否按预期工作。例如，若CPS-PWM的载波相位配置错误，各模块方波不再错相，输出谐波会明显恶化，等效开关频率提升效果消失。
电容电压平衡问题
多电平变流器的直流侧电容电压必须保持平衡，否则输出电平会畸变，甚至导致器件过压。不同调制策略的平衡机理不同：
- CPS-PWM：各模块输出功率自然均衡，电容电压主要靠模块自身损耗和均压控制维持，HIL中要观察各模块电容电压是否发散。
- PD-PWM：NPC三电平的中点电位受调制波和负载电流影响，正负半周投入时间不对称会导致中点偏移，需要额外的中点平衡控制。
- NLM：MMC子模块电容电压靠排序均压算法维持，HIL中要验证排序频率、均压阈值和环流抑制的配合。
HIL测试时，电容电压平衡是重点观察项。建议在模型中为每个子模块电容设置电压测量点，记录稳态和负载突变时的电压波动范围。以MMC为例，若子模块电容电压额定 2 kV，稳态波动应控制在 ±5% 以内，负载突变时允许短时 ±10%，超出则说明均压控制或调制策略存在问题。
HIL测试中调制器接口与验证要点
调制器在HIL中的接口通常包括：参考电压输入、载波配置参数、开关信号输出、使能/复位信号。测试时先确认接口时序和电平定义，再验证调制逻辑。
验证要点可归纳为以下几项：
- 载波相位与频率：用示波器或HIL采集各模块载波，确认相位差和频率与设计一致。CPS-PWM中若N=4，相邻载波相位差应为 90°。
- 死区与最小脉宽：检查调制器输出的死区时间是否符合器件要求，避免直通。HIL中可注入窄脉冲测试最小脉宽限制。
- 电平切换正确性：给定参考电压，检查输出电平序列是否与调制策略一致。例如三电平PD-PWM在正半周应输出 +Vdc/2 和 0，不应出现 −Vdc/2。
- 谐波与等效开关频率：对输出电压做FFT，确认谐波分布与理论一致。CPS-PWM的等效开关频率应为 N×fc。
- 电容电压平衡：观察各电容电压波动，确认均压控制有效，负载突变时电压恢复时间满足要求。
- 故障响应：注入过流、过压或子模块故障，检查调制器是否能正确闭锁或降额运行。
总结来说，多电平调制策略的选择直接影响开关频率、谐波和电容电压平衡，而HIL测试的核心是验证调制器接口正确、调制逻辑符合设计、输出谐波和电容电压在允许范围内。把调制器单独作为测试对象，先开环后闭环，先稳态后故障，是提高测试效率的有效路径。