中国科学院电工研究所赵牧天、葛琼璇 等：大功率三电平有源中点钳位牵引逆变器优化异步空间矢量脉宽调制策略

阅读提示：本文约 3500 字

导语

在高载波比工况下，大功率三电平有源中点钳位牵引逆变器采用异步调制策略。在低调制比区，逆变器非线性因素造成的输出电压谐波和幅值偏差较大，且相电压脉冲宽度较小，影响器件的正常开断。随着电机速度的提升，逆变器调制比逐渐增大，在不同的调制比区应设计合适的调制算法，以提升电机控制性能。提出全调制比范围优化异步空间矢量脉宽调制策略：在低调制比区，提出考虑非线性特性的三电平相电压频谱解析方法和基于改进扩张状态观测器的非线性补偿策略，可对非线性造成的直流扰动和交流扰动同时进行补偿；为拓展逆变器的调制范围，提出实现简化的双模式过调制策略，仅需调制比和电压矢量相位即可实现过调制。

研究背景

我国自主研制的时速600 km高速磁浮系统采用背靠背（Three Level Active Neutral Point Clamped, 3L-ANPC）牵引逆变器。当逆变器载波比（Carrier Ratio, Cr）较高时，一般Cr＞20，采用异步调制即可获得良好的电压谐波性能。

在电机零速起动和低速阶段，逆变器的调制比极低，由伏秒平衡可知相电压脉宽较窄，从而影响大功率器件的正常开断；此外，在该阶段逆变器参考电压较小，由死区、管压降、开通关断延时等造成的非线性因素在输出电压中占比较大，使实际输出电压与给定电压产生较大偏差。为减小该电压偏差并抑制谐波，需要对逆变器非线性进行补偿。随着速度逐渐提升，调制比逐渐增大，为充分利用直流母线电压，逆变器会进入过调制区。

图1 高速磁浮24MVA牵引变流器

图2 3L-ANPC逆变器主电路拓扑

论文所解决的问题及意义

针对低调制比区，本文以开关序列的首、尾矢量为零矢量的SVPWM策略为基础，解析分析了逆变器非线性造成的具体影响，据此，提出基于改进扩张状态观测器（Extended State Observer, ESO）的非线性补偿策略，可抑制低次谐波并提高电流动态响应；提出了优化的双模式过调制策略，仅需电压矢量相位和调制比即可实现逆变器的过调制；分析了不同区域调制策略切换时相电压变化情况，通过在特定采样周期切换，实现了避免相电压两电平跳变的平滑切换。

论文方法及创新点

1、3L-ANPC逆变器线性调制区策略

在低调制比区，传统调制下开关序列的首、尾矢量均为小矢量，那么一个载波周期的开关序列为ONO→ OOO→OOP→POP→POP→OOP→OOO→ONO（ASVM-H策略）。小矢量和零矢量作用时长与逆变器调制比分别成正比和反比。若调制比很低，小矢量作用时长很短，小矢量POP、ONO以及OOP与POP会分别导致三相电压uao、ubo、uco脉冲宽度较窄。将一个采样周期开关序列的首、尾矢量改为零矢量（ASVM-L策略），可成功避免相电压窄脉冲。

图3 逆变器调制比为0.1时相电压与相电流波形

2、3L-ANPC逆变器非线性分析及其补偿策略

依据脉冲时间补偿的思想，由管压降和开通、关断延时造成的相电压电平缩短或延长均可以等效为死区时间。在该等效死区时间影响下，相电压电平发生的动作时刻与理想相电压存在偏差，本质原因是相电压的频谱特性发生了改变。

利用双重傅里叶变换，解析分析等效死区时间造成的谐波特性。可知，非线性因素仅会产生奇次谐波的正弦分量，不会产生偶次谐波，那么在电流中，增大了6k±1（k=1, 2, 3,…）次谐波分量。死区时间越大，谐波幅值越高，与调制比无关，且随次数的升高而降低，故需着重关注5、7次等特征低次谐波。

为在幅值补偿同时抑制低次谐波，在逆变器电流环采用改进ESO进行前馈补偿，其扰动估计环由积分器和6次谐振控制器组成，积分器用来估计直流扰动，以补偿输出电压基波幅值；6次谐振控制器可估计dq坐标系下的6次谐波扰动，从而抑制相电流中的5、7次谐波。改进ESO不依赖于器件参数，无需获取相电流极性。

图4 非线性补偿前起动加速阶段实验结果

图5 非线性补偿后起动加速阶段实验结果

3、3L-ANPC逆变器过调制策略

当逆变器调制比大于1时，由线性调制区进入过调制区，此时给定电压矢量轨迹、实际电压矢量轨迹和相电压基波幅值轨迹不再重合。根据电压矢量端点所处的区域，可分为过调制一区和二区。

当进入过调制一区后，首先计算控制角，在扇形区域以外，采用两矢量合成，此时电压矢量端点位于六边形边沿，开关序列分别采用中矢量和大矢量起始；在扇形区域以内，采用三矢量合成，将该策略命名为过调制一区的异步调制（ASVM-OV1）。当进入过调制二区后，首先计算保持角，在保持角区域以外，采用两矢量合成；在保持角以内，采用单矢量合成，将该策略命名过调制二区的异步调制（ASVM-OV2）。

图6 ASVM-OV1相电压与相电流波形

图7 ASVM-OV2相电压与相电流波形

结论

1）分析了逆变器死区、管压降和开通关断延时等非线性特性造成的影响，提出了考虑非线性特性的三电平相电压频谱解析方法，证明了非线性特性会在相电流中引入特征次谐波。据此，提出了改进ESO的非线性补偿策略，在变频工况下，可同时补偿直流扰动和交流谐波扰动，提高电机电流动态响应并抑制电流谐波。

2）为拓展异步SVPWM策略的调制范围，提出了基于双模式法的优化过调制SVPWM策略，依据调制比和基波相位可实现过调制一区、二区的ASVM-OV1和ASVM-OV2策略，简化了算法的复杂度，实际逆变器调制比可最大提升10.26%。从低调制比区到过调制区的过程中，确保在载波减计数周期切换调制策略，可实现无相电压两电平跳变的平滑过渡。

团队介绍

中国科学院电工研究所高密度电磁动力与系统全国重点实验室的大功率电力电子与直线驱动技术团队是国内最早开展高速磁浮牵引控制研究的科研团队，先后参与“十五”国家863 计划高速磁浮交通技术重大专项、“十一五”国家科技支撑计划高速磁浮交通技术创新及产业化研究、“十二五”国家科技支撑计划高速磁浮交通工程化集成系统研究、“十三五”和“十四五”国家重点研发计划高速磁浮交通系统关键技术研究等课题，在大功率变流器的研制、直线电机本体设计与分析、直线电机牵引控制技术已积累了扎实的理论基础和完备的实验条件。

赵牧天

博士，中国科学院电工研究所特别研究助理，研究方向聚焦于大功率变流器调控、直线电机分析及控制以及高速磁浮交通牵引供电技术。

葛琼璇

博士，中国科学院电工研究所研究员、博士生导师，国务院特殊津贴专家。中国电源学会变频电源与电力传动专业委员会副主任，北京电力电子学会秘书长，中国能源学会理事，中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专业委员会理事。长期从事高压大功率变流技术及高性能电机牵引传动控制技术研究工作，先后承担了国家科技支撑、国家 “863”科技攻关、国家重点研发计划等多项重大项目的科研工作。在国内首次成功研制了完全具有自主知识产权的基于VME总线的高速磁悬浮列车牵引控制系统，打破了国外技术封锁，填补了该项技术国内空白。成功研制了时速600公里高速磁浮交通牵引用基于IGCT的24MVA 有源中点钳位高压大功率变流器。研发了完全自主知识产权的高速铁路牵引控制系统，直线电机城市轨道交通牵引变流器及控制系统、地铁有轨电车牵引变流器及控制系统，研究成果在标准动车组、首都机场快轨线、南京地铁2号线以及大连有轨电车等实际工程及线路上得到推广应用。相关成果获得2009年度北京市科技进步一等奖、电工技术学会科技进步一等奖，2010年度国家科技进步二等奖，2013年度北京市科技进步一等奖、电工技术学会科技进步一等奖，目前在国内外核心期刊及国际会议上发表文章逾百篇，申请发明专利及软件著作权四十余项。

赵鲁

博士，中国科学院电工研究所研究员、博士生导师，主要从事电力电子与电力传动相关研究工作，在牵引传动系统数字孪生、器件建模分析、高性能牵引控制、电机效率优化与变压器场路耦合仿真等方面具有扎实的理论基础及研究经验，目前担任稀土永磁磁浮技术及应用专业委员会委员，高速磁浮运载技术全国重点实验室外聘专家，共发表学术论文50余篇，申报国家发明专利20项，授权16项，专著1项，荣获2024度广东省工业软件科学技术发明一等奖，先后主持国家重点研发计划子课题2项、国家自然基金面上基金1项、北京市自然基金联合基金1项、国家重点实验室基金项目2项，E-mail：zhaolu@mail.iee.ac.cn。

朱进权

博士，中国科学院电工研究所副研究员，入选北京市科协青年人才托举工程。研究方向聚焦于磁悬浮交通牵引供电及控制技术，迄今已发表SCI/EI检索论文50余篇，申请发明专利10余项，其中6项已获授权。主持国家自然科学基金青年科学基金项目、国家重点研发计划子课题等5项科研项目，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目等10余项。

本工作成果发表在2026年第12期《电工技术学报》，论文标题为"大功率三电平有源中点钳位牵引逆变器优化异步空间矢量脉宽调制策略"。本课题为国家重点研发计划和国家自然科学基金资助项目。

引用本文

赵牧天, 葛琼璇, 赵鲁, 朱进权, 陈炜鑫. 大功率三电平有源中点钳位牵引逆变器优化异步空间矢量脉宽调制策略[J]. 电工技术学报, 2026, 41(12): 4097-4114. Zhao Mutian, Ge Qiongxuan, Zhao Lu, Zhu Jinquan, Chen Weixin. Improved Asynchronized Space Vector Pulse Width Modulation Strategy for High-Power Three-Level Active Neutral Point Clamped Traction Inverter. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(12): 4097-4114.