河北工业大学科研团队提出一种大幅度减小间接矩阵变换器高频共模电压的调制策略

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间接式矩阵变换器(Indirect Matrix Converter, IMC)由于其本身输入功率因数可调、输入输出电流正弦、集成度高、能量密度大等优点，在电源、风力发电及电能质量控制器等领域具有广泛的应用前景，然而 IMC运行时会在输出端产生高频高幅值的共模电压（Common Mode Voltage, CMV），高频共模电压会影响系统的可靠运行，因此对共模电压高频量幅值的抑制研究至关重要。 河北工业大学高效高可靠电机系统科研团队鲁紫荆、李珊瑚、操孙鹏、刘旭和孙庆国，从不同空间矢量下的共模电压特性出发，提出了一种能减小IMC高频共模电压的新型调制策略，在将共模电压峰值减小42.3%的基础上，大幅度减小所有高频段的共模电压幅值，弥补了现有策略对高频共模抑制的忽略，提高间接式矩阵变换器运行的可靠性。

研究背景

间接式矩阵变换器作为极具发展前景的新一代AC-AC电力变换装置，在运行时会在输出端产生高频高幅值的共模电压（Common Mode Voltage, CMV），当间接式矩阵变换器驱动电机时，共模电压（CMV）会造成电机绕组绝缘损坏、电机轴承故障，同时高频高幅值共模电压会对周围设备产生电磁干扰（EMI）问题。

论文所解决的问题及意义

现有的通过优化调制策略达到对共模电压抑制的软件方法，大多聚焦于降低共模电压峰值，而忽略了对共模电压高频分量幅值的抑制，且仅能将间接矩阵变换器共模电压抑制42.3%，间接矩阵变换器的高频共模抑制方法缺乏研究且现存方法运算复杂，控制困难，因此本研究团队提出的大幅度减小间接矩阵变换器高频共模电压的新型调制方法不仅控制简单，在将共模电压峰值减小42.3%的基础上，大幅度减小了所有高频段的共模电压幅值。

图1 间接矩阵变换器

论文方法及创新点

本研究团队提出的一种大幅度减小间接矩阵变换器高频共模电压的调制策略，将逆变级调制分为 6 个扇区，在输入1、3、5扇区选择输出共模电压始终为正的有效矢量V2、V4、V6，在输入2、4、6扇区选择输出共模电压方向始终为负的有效电压矢量V1、V3、V5，一个输入周期的输出共模电压波形见图2。

图2 一个输入周期的共模电压波形

从图2可知，新型调制策略将共模电压峰值抑制到了各输入扇区最大线电压峰值的1/3，且共模电压的方向在一个整流级扇区内正负不发生变化，将大幅度降低高频共模幅值。

图3所示四种不同调制方法基于傅里叶级数得到的共模电压频谱图。由图可知，所提新型调制策略的共模电压幅值虽在低频段处较高，但在电压传输比0.1~0.5下各高频段的幅值均不超过传统SVM方法的5%，相较于其他三种方法有明显大幅度的减小，且几乎不受电压传输比的影响。

图3 不同电压传输比m下的共模电压频谱

研究人员通过设计一台5kW的实验样机来验证所提调制策略在抑制高频共模电压的优越性，该实验样机如图4所示。

图4 IMC实验平台

结论

基于间接矩阵变换器有效矢量作用下的共模电压正负方向特性，提出一种大幅度减小间接矩阵变换器高频共模电压的新型调制策略，在最大限度抑制共模峰值的基础上，减小了高频共模电压，提升了电能变换系统的运行可靠性。

团队介绍

高效高可靠电机系统科研团队依托于河北工业大学电气工程“双一流”学科、省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室、电机与电器国家重点学科，长期致力于高效高可靠电机及其驱动系统的研究与教学工作。团队主要研究方向为高效电机设计和智能控制，机器人高精度运动和伺服控制，电机系统状态监测和电磁可靠性。

该工作发表论文的通讯作者为河北工业大学李珊瑚教授，博士生导师，担任中国电源学会女科学家副秘书长，天津市电机工程学会秘书处主任，主持国家自然科学青年基金1项，中央引导地方等省部级科技项目4项，校企合作项目5项。其中主持江苏省常州市“揭榜挂帅”科技攻关重点研发项目1项，在国内外发表论文30余篇，其中以第一/通讯作者发表高水平国际级SCI期刊论文13篇，授权发明专利14项。

本工作成果发表在2023年第16期《电工技术学报》，论文标题为“一种大幅度减小间接矩阵变换器高频共模电压的调制策略”。本课题得到国家自然科学基金项目、河北省自然科学基金项目、河北省自然科学基金创新群体项目和中央引导地方科技发展资金项目的支持。

引用本文

鲁紫荆, 李珊瑚, 操孙鹏, 刘旭, 孙庆国. 一种大幅度减小间接矩阵变换器高频共模电压的调制策略[J]. 电工技术学报, 2023, 38(16): 4366-4375. Lu Zijing, Li Shanhu, Cao Sunpeng, Liu Xu, Sun Qingguo. A Modulation Strategy for Simultaneously Reducing High-Frequency Common-Mode Voltage of Indirect Matrix Converter. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(16): 4366-4375.

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