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基于开关式直流逆变器的可变开关频率DPWM技术以扩展谐波能量并降低电流总谐波畸变率
Switched-DC Inverter Based Variable Switching Frequency DPWM Technique for Spreading the Harmonic Energy With Reduced Current THD
| 作者 | Meera Khalid · Nithin Raj · Binojkumar A.C. |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2025年3月 |
| 技术分类 | 系统并网技术 |
| 技术标签 | PWM控制 空间矢量调制SVPWM |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 可变开关频率 不连续PWM 永磁同步电机 谐波频谱 定子电流畸变 |
语言:
中文摘要
与传统的空间矢量脉宽调制(PWM)相比,母线钳位PWM(BCPWM)方法可降低逆变器的开关损耗。传统的BCPWM技术应用于交流驱动时会导致频谱集中,进而引发振动和声学噪声。本文提出一种基于可变开关频率的不连续PWM(DPWM)技术,并结合改进的逆变器拓扑结构,以实现永磁同步电机驱动中谐波能量频谱的分散,同时降低定子电流畸变。为了制定开关逻辑,本文对传统母线钳位序列的电流纹波模式进行了全面分析。所提出的逻辑采用梯形变化的子周期采样周期来分散定子电流频谱。与传统的母线钳位PWM相比,该策略在低速运行时可使定子电流总谐波畸变率(THD)降低32%,主要谐波降低42%,这表明该方法作为一种有前景的可变开关频率方法是有效的。本文通过一台采用磁场定向控制的1.07 kW永磁同步电机驱动实验验证了所提技术的谐波性能。
English Abstract
Bus-clamping PWM (BCPWM) methods reduce the inverter switching loss compared to conventional space vector PWM. Conventional BCPWM techniques when employed in AC drives leads to concentrated frequency spectrum which can lead to vibration and acoustic noise. This paper proposes a variable switching frequency-based Discontinuous PWM (DPWM) technique combined with a modified inverter topology to achieve a spread in the harmonic energy spectrum, along with reduced stator current distortion in a Permanent Magnet Synchronous Motor drive. A comprehensive analysis of the current ripple patterns for conventional bus-clamping sequences is conducted to develop the switching logic. The proposed logic uses a trapezoidally varying sub-cycle sampling period to spread the stator current spectrum. This strategy results in a 32 % reduction in stator current Total Harmonic Distortion (THD) and a 42 % reduction in dominant harmonics compared to conventional bus-clamped PWM at low speeds, demonstrating its effectiveness as a promising variable switching frequency approach. The harmonic performance of the suggested technique is verified experimentally using a 1.07 kW PMSM drive operated under field-oriented control.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,该论文提出的变频DPWM技术与改进型逆变器拓扑结合方案具有重要的借鉴价值。尽管研究聚焦于永磁同步电机驱动,但其核心技术理念可延伸至光伏逆变器和储能变流器领域。
该技术的核心价值在于通过梯形变化的子周期采样实现谐波能量频谱扩散,同时显著降低电流THD(32%)和主导谐波(42%)。对于阳光电源的光伏逆变器产品,这意味着可在保持总线钳位PWM低开关损耗优势的同时,有效解决集中频谱导致的电磁干扰和电网谐波污染问题。在大型地面电站和工商业分布式场景中,降低谐波含量直接关系到并网电能质量和系统稳定性,可减少无源滤波器成本并提升系统效率。
对于储能变流器业务,该技术在双向功率变换中的应用潜力更值得关注。储能系统频繁充放电切换对电流纹波控制要求严苛,变频DPWM技术可改善电池侧电流质量,延长电池寿命,这对阳光电源PowerTitan等储能产品的市场竞争力提升具有战略意义。
技术挑战主要体现在:变频控制增加了数字控制器的实时计算负担,需评估现有DSP/FPGA平台的算力冗余;改进型逆变器拓扑可能增加硬件成本和复杂度;低速优化效果显著但高速性能需进一步验证。
建议阳光电源中央研究院跟踪该技术路线,特别关注其在SiC/GaN宽禁带器件高频应用场景下的适配性,结合公司在1500V高压系统和模块化多电平拓扑方面的技术积累,探索差异化的谐波抑制解决方案,强化产品在电能质量敏感市场的技术壁垒。