一种新型灵活STS-SVPWM技术实现五相逆变器中基波和三次谐波的独立注入

《International Transactions on Electrical Energy Systems》：A New Flexible STS-SVPWM Technique Enabling Independent Fundamental and Third Harmonic Injection in Five-Phase Inverters

　　

本文提出了一种基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）的五相电压源逆变器新方法，该方法采用了一种所提出的采样时间共享（STS）技术，以提供基波分量和三次谐波的独立控制。所提出方法的主要思想是，整个采样间隔根据一次和三次分量的幅值比在它们之间分配。然后，在分配的时间间隔内分别对每个谐波执行空间矢量调制过程。该方法最重要的特点包括结构简单、谐波比例调整灵活以及计算复杂度显著降低。与许多需要复杂控制算法或复杂建模的现有方法不同，所提出的STS-SVPWM技术提供了一种简单而高效的方法。为了评估性能，研究人员在MATLAB/SIMULINK环境中进行了详细的仿真，结果表明所提出方法具有生成独立且稳定谐波的高能力。接下来，为了实际验证，该方法在基于TMS320F28335 DSP控制器的实验室平台上实现并测试。实验室结果与仿真结果高度一致，证实了所提出方法的效率和准确性。总之，所介绍的方法可被视为需要独立谐波控制的五相逆变器设计中的一种有效且创新的解决方案。

**研究背景与目的**
多相逆变器（MPI）在能量转换中具有关键作用，相比传统三相逆变器，其在电机驱动中能降低转矩脉动、提高效率、减小直流母线电流谐波并增强故障容错能力。五相逆变器（FPI）是常见的MPI，广泛应用于感应电机、永磁同步电机（PMSM）等驱动系统。然而，FPI在产生基波电压的同时也会生成高阶谐波（HOH），导致额外热损耗。现有调制技术如正弦脉宽调制（SPWM）和空间矢量脉宽调制（SVPWM）虽能控制HOH，但大多存在计算量大、灵活性差或无法独立控制基波与三次谐波的问题。三次谐波注入（THI）可改善电压利用率和转矩性能，但传统方法依赖固定矢量选择或复杂优化算法，难以实现实时独立控制。因此，研究人员提出一种基于采样时间共享（STS）的新型SVPWM技术，旨在以低计算复杂度实现基波与三次谐波的独立调节，为五相逆变器提供高效、灵活的谐波控制方案。该论文发表在《International Transactions on Electrical Energy Systems》。

**主要关键技术方法**
本研究基于两电平五相电压源逆变器（FPVSI）拓扑，采用四自由度（FDOF）策略在每个扇区选择四个非零矢量（两个大矢量和两个中矢量）和一个零矢量。核心创新是采样时间共享（STS）方法：根据注入三次谐波百分比（ITHP）将总采样时间T_s动态分配给基波子空间（dq₁）和三次谐波子空间（dq₃），分别计算各矢量的激励时间，再组合生成最终开关序列。该方法通过逆变换矩阵将参考电压分解为两个子空间的系数向量，进而计算矢量时间分配，避免了迭代优化或预测计算。仿真在MATLAB/SIMULINK中进行，实验基于TMS320F28335 DSP控制器和IGBT逆变器平台，负载为RL负载（32Ω+30mH），直流母线电压120V，采样频率2kHz。

**研究结果**
- **5. 仿真结果**：通过MATLAB/SIMULINK仿真，在ITHP为0%、5%、10%、15%条件下，分析了逆变器对中性点电压、线电压、参考电压、dq₃子空间电压、相电流及谐波合成。结果表明，随着THI增加，相电流峰值从2.02A降至1.80A；基波分量幅值从1.90A降至1.66A，三次谐波分量从0.19A增至0.26A；总谐波畸变率（THD）从14.07%升至19.46%。dq₃子空间电压幅值分别为0V、3V、6V、9V，验证了谐波注入的独立可调性。
- **6. 实验结果**：在DSP实验平台上重复相同测试，逆变器对中性点电压和线电压与仿真一致（95V和120V）。相电流峰值从2.0A（0%THI）降至1.7A（15%THI）；基波幅值从1.54A降至1.40A，三次谐波幅值从0.17A增至0.28A，THD分别为14.07%、15.94%、17.51%、19.46%。实验与仿真趋势一致，确认了方法的实用性和准确性。
- **7. 结果分析与讨论**：详细对比了仿真与实验数据，指出定量差异源于实际非理想因素（死区时间、IGBT压降、DSP采样延迟、传感器噪声等），但相对谐波行为一致。通过归一化比较，与Lewicki等人[34]和Bu等人[38]的方法相比，所提STS-SVPWM方法实现了更低的THD（14.0%–15.9%）、更高的电压利用率（95%）和显著降低的计算负担（归一化值0.30，对比基准1.00）。可重复性测试显示误差条标准差小于平均值的2%–3%，表明方法稳定。讨论还指出该方法可扩展至七相逆变器、中点钳位（NPC）逆变器及Z源逆变器等拓扑，适用于电动汽车牵引、航空航天执行器和可再生能源转换等需灵活谐波控制的应用。

**结论与意义**
研究结论部分（第8节）翻译如下：
所提出的STS-SVPWM策略表明，三次谐波注入可被视为一个额外的可控自由度而非不良副产品。通过将采样间隔在基波与谐波子空间之间分配，该方法以低计算量实现了可预测的谐波塑造。该特性使其特别适用于需要灵活性、简单性和计算效率的多相逆变器实时控制。本文介绍了一种基于STS的SVPWM策略，能够在五相逆变器中独立合成基波和三次谐波分量。与依赖固定谐波映射或高计算量矢量选择的传统方法不同，所提方法动态分配采样间隔于dq₁和dq₃子空间之间，允许灵活控制注入谐波含量并降低计算负担。方法结构使其适合实时数字实现。仿真与实验结果分析确认，STS机制提供了谐波注入与电流塑造之间的可预测且可调关系，同时保持可管理的THD水平。这些观察表明，三次谐波注入可作为控制自由度而非仅视为干扰，为多相驱动系统的效率提升和转矩增强提供了新可能性。未来工作可将所提概念扩展至多电平逆变器拓扑、基于负载条件的自适应STS分配，或与模型预测控制（MPC）集成以进一步优化动态响应。总体而言，本文方法为五相功率变换系统中的高级谐波控制提供了实用且概念新颖的基础。