CES TEMS 论文分享｜天津工业大学谷鑫等：基于马尔可夫链的NPC三电平逆变器三随机SVPWM策略

Three-Random SVPWM Strategy Based on Markov Chain for NPC Three-Level Inverter

Xuefeng Jin; Kunyang Wu; Xin Gu*; Guozheng Zhang; Huimin Wang; Wei Chen

Tiangong University, Tianjin, China

X. Jin, K. Wu, X. Gu, G. Zhang, H. Wang and W. Chen, "Three-Random SVPWM Strategy Based on Markov Chain for NPC Three-Level Inverter," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, Vol. 9, No. 4, pp. 483-494, December 2025, DOI: 10.30941/CESTEMS.2025.00031.

摘 要

永磁同步电机（PMSM）因其维护成本低、效率高、功率密度高等特点，广泛应用于轨道交通、工业机器人和新能源电动汽车等领域。然而，空间矢量脉宽调制（SVPWM）的应用导致电机相电流在开关频率的整数倍处呈现出簇状谐波分布，从而导致电机噪声和振动问题。为了解决这些问题，本文提出了一种基于三态马尔可夫链的三随机SVPWM（TRPWM）策略，该策略集成了随机脉冲位置、随机开关频率和随机小矢量驻留时间。通过遵循电压二次平衡原理，该策略将集中的高频谐波传播到更宽的频率范围内，显著降低了相电流中集中谐波的幅度。与传统SVPWM、传统双随机SVPWM和传统三随机SVPWM策略的比较实验表明，所提出的方法实现了相电流中开关频率整数倍的谐波扩展，有效地抑制了永磁同步电机中的高频振动。

Abstract

Permanent magnet synchronous motors (PMSMs), owing to the features of low maintenance costs, great efficiency, and high power density, are extensively utilized in applications such as rail transportation, industrial robots, and new energy electric vehicles. However, the application of space vector pulse width modulation (SVPWM) results in the motor phase current exhibiting clustered harmonic distributions at the integer multiples of the switching frequency, leading to motor noise and vibration issues. To address the issues, this paper proposes a three-random SVPWM (TRPWM) strategy based on a three-state Markov chain, integrating random pulse position, random switching frequency, and random small vector dwell time. By adhering to the principle of voltage-second balance, this strategy spreads the concentrated high-frequency harmonics over a wider frequency range, significantly reducing the magnitude of the concentrated harmonics in the phase current. Comparative experiments with conventional SVPWM, conventional dual-random SVPWM, and conventional three-random SVPWM strategies demonstrate that the proposed approach achieves the expansion of harmonics at integer multiples of the switching frequency in the phase current, effectively suppressing high-frequency vibrations in PMSMs.

NPC三电平逆变器的拓扑结构

作者信息

金雪峰，1978年生于吉林。他于2001年和2006年分别获得天津大学电气工程学士和硕士学位。2006年加入天津电气科学研究院。自2019年以来，他一直担任天津工业学院的工程教授。他的研究兴趣包括高功率密度电力电子转换器的设计和智能控制技术。

吴坤阳，于2019年获得河南工业大学电气工程与自动化学士学位。他目前正在天津工业大学电气工程学院攻读电气工程硕士学位。他目前的研究兴趣包括永磁同步电机的减振和降噪。

谷鑫(Member, IEEE)，1980年出生于中国天津。他于2003年、2006年和2010年获得天津大学电气工程学士、硕士和博士学位。他目前是电气工程学院和国家电气系统设计与制造地方联合工程研究中心的教授。他也是天津工业大学电机系统研究所的副所长。他的研究兴趣包括永磁同步电机、电力电子转换器及其控制系统。

张国政（Member，IEEE），1985年出生于中国大同。他于2008年获得天津大学学士学位，2011年获得天津科技大学硕士学位，以及天津大学博士学位。2017年，他从事电气工程。他目前是天津工业大学电气工程学院的副教授，也是国家电气系统设计与制造地方联合工程研究中心的副教授。他的研究兴趣包括电机、多电平变流器及其控制系统。

王慧敏，分别于2005年和2011年获得天津大学电气工程学士和博士学位。她目前是天津工业大学电气工程学院和中国天津电机系统设计与制造国家地方联合工程研究中心的教授。她目前的研究兴趣包括永磁电机的设计、优化和控制。

陈炜(Member, IEEE)，1977年出生于中国山西。分别于2000年、2003年和2006年获得天津大学电气工程学士、硕士和博士学位。他目前是天津工业大学电气工程学院的正教授，中国电机系统设计与制造国家地方联合工程研究中心主任。他的研究兴趣包括电机和驱动器，以及电力电子。

《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE 副主席 Don Tan 博士为国际主编。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。

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