海军工程大学电磁能技术全国重点实验室提出一种兼顾三电平H桥变频器中点电压控制的窄脉冲抑制方法

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导语

船舶电力推进系统对声隐身性能有着极为严苛的要求，然而中高压三电平十二相H桥变频器在窄脉冲抑制与中点电位平衡控制中存在强耦合，传统固定阈值剔除方法将会引起低频谐波，激发低频电磁振动危害船舶生命力。

海军工程大学电磁能技术全国重点实验室研究团队提出了一种兼顾中点电压控制的窄脉冲抑制策略，减小输出电压和电流畸变同时成功将特定频次电磁振动大幅削减。

研究背景

相较于传统的机械推进，电力推进方式具有效率高、灵活性好、燃油经济性好等优点。其中，三电平多相H桥变频器及配套的多相开绕组推进电机构成的系统，因主电路简单、容错能力强且功率容量易拓展，成为了船舶中高压大容量电力推进的优选方案（图1）。

然而，在中高压大容量工况下，大功率IGBT器件的开关信号脉宽过短时会形成窄脉冲，引发高压尖峰与电磁振荡，威胁模块运行安全，因此，必须实施窄脉冲抑制。

图1 十二相三电平变频器及其十二相开绕组电机主电路

论文所解决的问题及意义

传统窄脉冲处理方法如固定值剔除法强制将调制波钳位，会导致输出电压/电流产生畸变，引入大量低频谐波，直接恶化多相电机的低频电磁振动噪声性能。

研究团队提出一种兼顾中点电压平衡的窄脉冲抑制策略，通过拓宽判断区域，根据调制波极性在左/右臂调制波上同时施加偏置，不仅确保窄脉冲完全消除、中点电压平稳，且运行工况不受任何限制、不增加开关次数，显著降低了推进电机低频段的振动加速度级，对提升我国先进船舶驱动系统的声隐身性能与运行可靠性具有重大工程价值。

论文方法及创新点

1、揭示了窄脉冲抑制对多相电机低频振动的诱发机理

研究团队采用双重傅里叶解析方法，详细推导了传统窄脉冲固定值剔除下三电平H桥变频器的输出电压低频谐波数学模型。通过多相电机电流空间分布特性的电流矢量和分析，明确指出传统方法引入的23次和25次同步速旋转电流谐波分量，是诱发十二相电机24倍基频低频电磁振动的主要因素（图2）。

图2 传统窄脉冲抑制方法的电流矢量和轨迹和主要组成矢量

2、提出的兼顾中点电压平衡控制的三电平窄脉冲抑制方法

窄脉冲固定值剔除策略与所提方法调制波整型流程对比如图3所示，中点电压零序分量注入与窄脉冲抑制间存在动态耦合问题，两者在调制域存在相互制约关系：①零序分量Vz注入会改变窄脉冲调制区域边界，需将窄脉冲判定阈值扩展至Vth+Vz_max，其中Vz_max为零序分量注入最大值；②窄脉冲补偿偏置需进一步拓宽为2Vth+Vz_max，其注入方向由Vz方向确定。

(a) 窄脉冲固定值剔除

(b) 所提方法

图3 调制波整型流程

(a) 窄脉冲固定值剔除

(b) 所提方法

图4 左桥臂调制波、右桥臂调制波和等效调制波

3、试验验证

依托25kW三电平十二相H桥变频多相电机实验平台，团队对所提方法进行了全面验证。如图5所提方法电压低频谐波明显减小。如图6电流矢量和23、25倍频（-92 Hz、100 Hz）得到明显抑制。如图7所示100 r/min工况下24倍频振动加速度级最多能下降21.5 dB。如图8中性点电压波动大小从0.5 V下降至0.26 V。

(a) 窄脉冲固定值剔除

(b) 所提方法

图5 120r/min空载工况电流波形

(a) 窄脉冲固定值剔除

(b) 所提方法

图6 120r/min空载工况电流矢量和频谱

图7 100r/min空载工况电机振动加速度

图8 中点电压波形

结论

1）揭示传统在低调制度下引发电压、电流谐波的规律，从电流矢量和角度解释24n±1倍基频谐波分量为导致低频振动噪声的关键因素；

2）提出一种的方法实现了兼顾中点电压平衡及窄脉冲抑制的协同控制，同时维持三电平H桥输出正弦性，显著降低了24倍基频电磁振动。

团队介绍

海军工程大学(电磁能技术全国重点实验室)多相大容量变频器设计与电机控制课题组，致力于舰船多相大容量变频器研发、新型多电平拓扑设计、多相电机低噪声、少传感器控制研究等领域。课题组长肖飞教授，博士生导师，国家级科技创新团队带头人，全国优秀科技工作者，入选“百千万人才工程”、教育部“新世纪优秀人才支持计划”。主要成员胡亮灯研究员，博士生导师，军队青年英才，光谷3551创新人才，科技部舰船综合电力创新团队人选，主持国家自然科学面上、青年基金项目各1项、军委科技委项目2项、国防十四五预研项目1项、湖北省自然科学基金项目1项等，参与国家/国防重点型号项目等10余项，已发表SCI/EI收录论文20余篇，申请并授权发明专利10余项，获省部级科技进步一等奖2项、二等奖1项等奖项，参与研制的多型大容量电力电子装备实装应用获经济效益。

胡亮灯

研究员，博士生导师，研究方向为多相大容量变频器设计及电机控制。

邹沩尔

硕士研究生，研究方向为多相电机控制与电磁振动抑制。

本工作成果发表在2026年第8期《电工技术学报》，论文标题为"兼顾三电平H桥变频器中点电压控制的窄脉冲抑制方法"。本课题为国防基础加强基金和国家自然科学基金资助项目。

引用本文

邹沩尔, 胡亮灯, 刘自程, 龙齐杰, 雷铄. 兼顾三电平H桥变频器中点电压控制的窄脉冲抑制方法[J]. 电工技术学报, 2026, 41(8): 2805-2821. Zou Weier, Hu Liangdeng, Liu Zicheng, Long Qijie, Lei Shuo. A Narrow-Pulse Suppression Method Integrating Neutral-Point Voltage Control for Three-Level H-Bridge Converters. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(8): 2805-2821.