基于NSGA-II多目标优化算法的多电平转换器PWM谐波抑制方法与实验验证

《IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine》：Multiobjective Optimization of PWM for Multilevel Inverter in PMSM Applications

　　**摘要：** 永磁电机和多电平转换器是交通电气化领域极具前景的技术。然而，功率转换器不会产生正弦电压波形，这会在施加于永磁同步电机（PMSM）的电压中引入谐波分量。本文提出了一种多电平转换器的离线PWM优化方法，利用多目标NSGA-II算法在跟踪目标均方根（RMS）电压的同时，最小化线电压总谐波畸变率（THD_V_line），并同时确定换相角的数量。此外，该优化模型包含一组优先级规则，用于选择相电压畸变率（THD_V_phase）最低的换相角组合，并结合使调制方案可实现的约束条件。所提出的方法已在用VHDL编程的FPGA Nexys A7上实现，并在具有NdFeB磁芯的表面贴装永磁同步电机上进行了实验评估。本文详细阐述了所实现的级联H桥逆变器、PMSM模型以及NSGA-II多目标优化算法。实验测试台架在实验室规模的样机上实现，适合在本文所提方法框架下分析谐波抑制优化策略。在空载运行条件下，所评估的22种调制方案中，线电压总谐波畸变率均保持在0.3%以下；在PMSM带载运行时，因耦合作用和电机非线性行为，该数值上升至1.9%。两个数值均远低于IEEE Std 519-2022规定的8%电压总谐波畸变率限值——空载时低一个数量级以上，负载时低四倍。实测均方根电压与计算值的偏差在0.1 V以内。开环运行时，电流总谐波畸变率达到7.3%，主要由电机固有的五次和七次谐波所主导；需采用闭环电流控制才能实现谐波补偿。