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Optimal Common-mode Voltage Suppression Pulse-width Modulation Based on Adjacent-Four-Vector Synthesis Principle

本文提出了一种基于相邻四矢量合成的PWM策略，该策略通过优化开关序列并利用比传统最近三矢量法更高的控制自由度，增强了共模电压抑制能力和输出谐波性能。

原作者： Xiang Wu, Yuyang Zhang, Zhixun Ma, Jieguang Li, Shuo Chen, Xiao Zhang, Zhan Liu

发布于 2026-08-21

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原作者： Xiang Wu, Yuyang Zhang, Zhixun Ma, Jieguang Li, Shuo Chen, Xiao Zhang, Zhan Liu

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在现代电力世界中，功率转换器充当着至关重要的“翻译官”角色，它们在来自电池或太阳能板的稳定直流电与为家庭和工厂提供动力的、具有节奏感的往复交流电之间进行转换。这些被称为逆变器的设备通过快速开关电子闸门（开启与关闭）来塑造电压。然而，这种高速开关产生了一个隐形的副作用：一种存在于电气系统与地线之间的波动电压。工程师们称之为共模电压。虽然它并不直接驱动电机或点亮灯泡，但它是一个潜在的麻烦源。在太阳能发电场中，这种杂散电压会泄漏到地面，导致电流失真并造成安全隐ญ。在电动机中，它会产生沿电机轴传输的高频振动，从而磨损轴承并缩短机器寿命。它还会成为电磁噪声的来源，干扰附近的敏感设备。

几十年来，工程师们一直试图驯服这种电压。有些人通过增加笨重的滤波器或额外的硬件来解决，但这增加了成本和体积。另一些人则尝试修改控制开关的软件，旨在通过精确控制开关的开启和关闭时序来抵消电压。最常用的方法是空间矢量脉宽调制法（SVPWM），它使用一组特定的开关模式。该方法的一种流行变体试图通过避开某些“零”状态来消除最极端的电压峰值。虽然这种方法成功降低了电压的峰值高度，但往往会留下另一个问题：即总电压暴露量随时间产生的缓慢、起伏的波动。这种持续的波动正是导致电机轴承过热和磁性滤波器饱和的原因。挑战在于，如何在不牺牲电机旋转平滑度或功率转换效率的前提下，同时抑制尖锐的峰值和缓慢的波动波浪。

来自同济大学和中国矿业大学的研究团队提出了一种新的策略来解决这一双重问题。他们开发了一种基于他们称之为“相邻四矢量合成”原理的控制方法。要理解这项创新，首先要了解旧方法是如何运作的。传统方法通常使用三个电压矢量来构建所需的输出，就像画家混合三种原色来创造出特定的色调一样。当研究人员试图抑制共模电压时，他们发现仅使用三个矢量会让调节结果的自由度变得非常低；他们可以降低峰值，但无法平滑波动波浪，反之亦然。新方法通过使用四个矢量而非三个矢量打破了这一限制。通过在混合中加入第四个元素，系统获得了额外的自由度，使得控制器能够以一种此前无法实现的精度对开关顺序进行精细调整。

研究人员设计了一个系统，选择在电气空间中彼此相邻的四个特定开关状态，而不是旧技术中使用的三个最接近的状态。然后，他们建立了一个数学框架，用以确定这四个状态各自应保持激活状态的确切时长。这正是新方法真正威力所在。团队意识到，他们可以利用这个额外的矢量来平衡电压暴露量随时间的变化。他们开发了一个循序渐进的优化过程：首先，他们计算理想的时序以最小化共模电压的缓慢波动；一旦设定了这一基准，他们便利用剩余的灵活性来调整开关顺序，专门针对减少电机的电磁噪声和电流纹波。这种层层递进的方法使他们能够同时应对电压峰值、长期电压暴露量以及输出质量问题。

为了验证其理论，团队构建了一个仿真模型，并使用标准的二电平电压源逆变器制作了一个物理实验室原型。他们在各种条件下测试了该系统，将其新方法与传统标准以及其他现有的抑制技术进行了对比。结果令人瞩目。在仿真实验中，与传统标准相比，新方法将共模电压暴露量的峰峰值波动降低了90%以上。即使在系统被推向更高功率水平时，这种降幅依然显著，减少了近60%的波动。物理实验证实了这些发现。当测量电机与地线之间的电压时，传统方法显示出约48伏的摆动，而新方法结合其他抑制技术，成功将这种摆动限制在约16伏左右，实现了三分之二的降幅。

或许更重要的一点是，新方法并没有以牺牲性能为代价。在以往尝试抑制电压的过程中，工程师们往往不得不接受输出电流噪声更大、更粗糙的代价，以换取更安静的电压。研究人员发现，通过仔细选择应用四个矢量的顺序，他们实际上可以提高输出电流的质量。当他们分析谐波失真（衡量电波纯净度的指标）时，他们的方法产生的电流比测试的其他先进抑制技术更平滑。例如，在特定的工作点，他们方法的加权总谐波失真为0.535%，低于竞争对手的先进方法所呈现的0.557%。这意味着电机运行会更加安静高效，其内部组件的磨损也会更小。

这项研究表明，通过将工具箱从三个矢量扩展到四个矢量，工程师可以获得同时解决多个问题的控制力。研究人员证明，无需增加额外硬件，即可实现限制峰值电压、平滑长期电压暴露并保持高质量输出。他们的工作表明，提升电驱动装置和清洁电网的关键可能不在于制造更大的滤波器，而在于重新思考我们开关电源的基本逻辑。这些通过计算机模型和现实世界测试共同验证的研究结果，为减少现代电力系统中隐藏的电噪声成本提供了一条清晰的前行路径。

技术摘要：基于相邻四向量合成原理的最优共模电压抑制脉宽调制技术

问题陈述
两电平电压源逆变器（2L-VSI）产生的共模电压（CMV）会引发显著的负面影响，包括光伏系统中的漏电流、交流电机驱动中的轴电压和轴电流（导致轴承损坏）以及电磁干扰。虽然存在硬件解决方案，但这些方案会增加成本和体积。基于控制的脉宽调制（PWM）策略提供了一种更具成本效益的替代方案。现有的共模电压抑制 PWM（CMVS-PWM）方法通常分为三类：限制 CMV 幅值、优化 CMV 伏秒特性，或同时处理两者。然而，基于最近三向量（N3V）合成原理的传统方法通常面临控制自由度不足的问题。具体而言，通过避免零电压向量（ZVV）来限制 CMV 幅值的方法（例如 AZSPWM、NSPWM）往往对开关序列进行硬性定义，导致难以同时优化其他目标，如输出谐波性能或 CMV 伏秒特性。

方法论
本文提出了一种新型的相邻四向量（A4V）合成原理，以解决现有 CMVS-PWM 策略的局限性。核心方法论包括：

A4V 合成原理： 不同于传统的 N3V（通常包含 ZVV 或硬性选择的非零向量），所提方法使用四个相邻的非零电压向量（A4Vs）来合成参考电压向量（RVV）。这种方法完全避开了 ZVV，理论上将 CMV 幅值限制在 $V_{dc}/6$ （相比于传统的 SVPWM 降低了 66.7%）。
有效性数学证明： 作者提供了严谨的证明，表明对于位于由四个相邻向量形成的特定等腰梯形区域内的任何 RVV，伏秒平衡方程均有有效的解集。这是通过引入一个调节因子（ $\Delta t$ ）来重新分配四个向量的作用时间，同时保持伏秒平衡来实现的。
控制自由度（DoF）识别： 研究在 A4V 框架内识别出两个关键的控制自由度：
- 调节因子 ( $\Delta t$ )： 该变量允许对所选向量的作用持续时间进行优化。
- 开关序列选择： 对于给定的 RVV，存在多种有效的 A4V 组合和开关序列。
分层优化策略：
- 第一层（CMV 伏秒优化）： 建立了一个数学规划模型，旨在最小化 CMV 伏秒波动的幅值。通过求解最优 $\Delta t$ 并选择最佳合成类型（在每个扇区内有三种可能的 A4V 组合），该方法能够最小化低频 CMV 分量。
- 第二层（输出谐波优化）： 在确定了用于 CMV 伏秒最小化的最优开关序列后，第二步优化过程会选择特定的开关序列，以最小化归一化谐波磁链向量的均方根值（ $\lambda_{hn\_rms}$ ）。这确保了在不损害 CMV 抑制目标的前提下，获得卓越的输出谐波性能。

关键结果
在 2L-VSI 平台（48V 直流链路，4Ω/1mH 负载）上的仿真和实验结果验证了所提出的 A4V-CMVS-PWM 策略相对于传统 SVPWM、AZSPWM1 以及文献 [33] 中方法的有效性。

CMV 幅值： 所提方法成功地将实验中 CMV 的峰峰值限制在约 16V（SVPWM 为 48V），实现了峰峰值 66.7% 的降低。这对应于将 CMV 幅值限制在 $V_{dc}/6$ 。
CMV 伏秒特性： 该方法显著降低了 CMV 伏秒值的峰峰值波动。对于调制指数（ $m$ ）为 0.3 和 0.7 的情况，其波动较 SVPWM 和 AZSPWM1 降低了 90% 以上。即使在 $m=1.1$ 时，也观察到了 59.5% 的降幅。
输出谐波性能： 虽然所有 CMVS-PWM 方法在输出谐波方面本质上都比 SVPWM 高，但所提方法的表现优于文献 [33] 中的方法。
- 在 $m=0.7$ 时，所提方法的加权总谐波失真（WTHD）为 0.535%，而文献 [33] 中的方法为 0.557%。
- 在各种调制指数下，相电流的谐波失真因子（HDF）和总谐波失真（THD）均一致低于对比方法。
实验验证： 实验波形证实了仿真结果，显示在不同调制深度（ $m=0.3, 0.7, 1.1$ ）下均具有有效的 CMV 抑制能力和改进的谐波性能。

意义与主张
本文声称，所提出的 A4V 合成原理通过引入额外的控制自由度，在现有 CMVS-PWM 方法基础上取得了显著进展。不同于以往往往为了抑制 CMV 而牺牲谐波性能或缺乏序列选择灵活性的方法，本方法实现了分层优化。它同时实现了：

严格限制 CMV 幅值。
优化 CMV 伏秒特性（减少低频分量）。
相比于解决类似目标的现有先进方法，具有更优越的输出谐波性能。

作者得出结论，A4V-CMVS-PWM 策略为缓解 2L-VSI 应用（如电机驱动和光伏系统）中 CMV 的负面影响提供了一种更有效的解决方案，且无需增加额外硬件。

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