H桥级联多电平(CHB)变换器由于拥有高电压等级、高功率等级、高波形质量、高度模块化等显著优点,在中高压电机变频驱动、柔性交流输电装备(flexible AC transmission system FACTS)、光伏并网、和储能等领域获得广泛应用。过去30年,CHB相关研究主要集中于各种应用中的功能实现、主要关注基波频段的内外特性,但是随着应用要求的提高和应用场景的复杂化,出现了一些新的技术问题,例如:二倍频功率波动、非理想电网下的直流电压发散等。这些问题本质上都是CHB内部的功率平衡和能量交换的问题,其表现出传统思路下只关注平均功率的功率平衡控制已不能完全满足工程需求。解决这些问题,要求CHB功率平衡的分析和控制深入到更小的时间尺度,甚至跨时间尺度。因此本文以此为核心,针对二倍频和开关频两个频段的功率流展开研究,并进一步发掘CHB变流器中可作用于这些功率流的冗余自由度,开发出新的控制策略。本文的主要研究内容及取得的研究成果如下:(1)在低频段,研究了 CHB变换器的直流侧二倍频纹波电压问题,发掘了四象限CHB变频器PWM整流器中的冗余自由度,提出了基于低频电流注入法的功率解耦控制策略,在不增加额外硬件的基础上将直流侧电容减小10倍。给出了该方法的开环实现方案和闭环实现方案,并通过仿真和实验进行了验证。(2)继续将功率平衡的时间尺度缩小到开关谐波频段,揭示了 CHB中存在的谐波功率不均现象。研究表明该现象是CHB输出高次谐波电流与单个H桥的低次开关谐波耦合导致的谐波功率在各个单元中不均衡分布的结果。并且发现载波频率这一冗余自由度可直接作用于谐波功率流,进一步提出了载波频率优化方法及其离散化简易实现方案,从而在源头上抑制了谐波功率不均问题。(3)跨越高低频段,揭示和分析了均压控制环与谐波功率不均之间交互作用的机理,阐述了均压控制与谐波功率不均之间的博弈关系,并定性得出开关频率、滤波电感、直流电压、输出基波电流对变流器耐受荷载不均能力的影响。通过大量仿真,大致得出荷载不均情况下变流器运行区间,从而验证了理论分析。(4)提出了低成本硬件均压方案,以针对性解决零电流模式下均压控制稳定运行区间基本丧失的问题。所提方法通过在单元自取电的控制板上设置数瓦功率的开关电阻电路,实现了这种工况下的单元功率调节,以极低的成本和体积解决了零电流模式下均压的需求。