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电动汽车驱动 PWM控制 ★ 5.0

采样方法和频率比对两电平电压源逆变器PWM电压谐波的影响

Influence of Sampling Method and Frequency Ratio on PWM Voltage Harmonics in Two-Level Voltage Source Inverters

作者 Uppuluri Suryavalli · V. S. S. Pavan Kumar Hari
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2025年2月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 PWM控制
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 电力电子变换器 脉宽调制电压 谐波频谱 傅里叶系数 频率比
语言:

中文摘要

对电力电子变换器中脉宽调制电压的谐波频谱进行解析评估,是工程师在实际工作中常用的有效工具。本文提出一种解析方法,有助于理解采样技术和频率比对脉宽调制(PWM)电压谐波频谱的潜在影响。该方法可推导出采用规则采样正弦 - 三角脉宽调制(STPWM)的单相和三相两电平电压源逆变器(VSI)输出电压傅里叶系数的简单且精确的闭式表达式。这些表达式是针对 STPWM 的对称和非对称规则采样技术推导得出的。所提出的解析表达式便于在给定直流母线电压、调制指数和载波与基波频率比的情况下估算电压谐波频谱。本文还分析了频率比对采样调制信号的影响,并针对频率比为非整数的情况提出了一种估算电压谐波频谱的方法,提高了该方法的实用性。通过给出在广泛运行条件下的仿真和实验结果,验证了解析评估得到的电压谐波频谱的准确性。

English Abstract

Analytical evaluation of harmonic spectra of pulse-width-modulated voltages in power electronic converters is a useful tool for practicing engineers. An analytical method which helps in understanding the underlying implications of sampling technique and frequency ratio on harmonic spectrum of PWM voltage is presented. It leads to the derivation of simple and accurate closed-form expressions for Fourier coefficients of output voltage in single-phase and three-phase two-level voltage source inverters (VSI) operated with regularly-sampled sine-triangle pulse width modulation (STPWM). The expressions are derived for both symmetric and asymmetric regular sampling techniques of STPWM. The proposed analytical expressions facilitate the estimation of voltage harmonic spectrum for given dc bus voltage, modulation index and carrier-to-fundamental frequency ratio. This article also presents the effect of frequency ratio on sampled modulating signal and proposes a method to estimate the voltage harmonic spectrum in the case of frequency ratio being a noninteger, which increases its practical utility. Simulation and experimental results under a wide range of operating conditions are presented to validate the analytically evaluated voltage harmonic spectra.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇关于PWM电压谐波分析的论文具有重要的工程应用价值。该研究针对两电平电压源逆变器的脉宽调制技术,提出了精确的谐波频谱解析方法,这与我司光伏逆变器、储能变流器等核心产品的控制策略优化直接相关。

论文的核心贡献在于建立了采样方法(对称与非对称规则采样)和频率比对PWM谐波特性影响的闭式表达式,这为我司逆变器产品的设计优化提供了理论工具。在实际应用中,准确预测谐波分布可以帮助我们在设计阶段就优化滤波器参数,降低系统成本的同时提升电能质量。特别是论文提出的非整数频率比谐波估算方法,对于应对电网频率波动、实现宽范围工况适应具有实用价值。

对于阳光电源的储能系统业务,该技术可显著改善并网电流质量,降低谐波对电网的污染,这在大型储能电站项目中尤为关键。同时,精确的谐波分析有助于减小无源滤波器体积,提升系统功率密度,符合我司产品小型化、高效化的发展方向。

从技术成熟度看,该方法基于成熟的正弦三角调制理论,具备较强的工程可实现性。主要挑战在于如何将解析模型集成到现有的数字控制平台,以及在多电平拓扑(如我司采用的NPC、T型三电平)中的扩展应用。建议组织专项技术攻关,将该方法嵌入逆变器设计工具链,形成差异化的谐波优化能力,进一步巩固我司在新能源变流技术领域的领先地位。