基于PWM优化的主动抑制技术

基于PWM优化的主动抑制技术通过多种策略在电力电子系统中实现噪声、谐波和电磁干扰的有效控制，具体技术路径及应用如下：

开关频率优化调制技术

可变开关频率PWM（VSFPWM） ：通过预测电流纹波模型动态调整开关频率，分散谐波能量以降低传导电磁干扰（EMI）峰值。但频率分布不均匀仍可能导致显著尖峰。

随机PWM（RPWM） ：随机化开关频率以消除EMI尖峰，但需生成真随机数，实际应用中存在可重复性差、滤波器设计复杂等问题。

均匀分布扩频调制（UDPWM） ：通过均匀分布开关频率变化，平滑频谱能量分布，既消除EMI尖峰，又保持输出波形质量和效率。实验验证其在MMC系统中的有效性。

特定谐波消除与调制策略

SHE-PWM技术：结合主动集二次优化算法，精确求解开关角以消除特定频率谐波（如高速铁路牵引系统中的电网共振频率）。该方法对初始值依赖性低，收敛速度快，适用于复杂超越方程求解。

RF-PWM主动谐波消除：通过多阈值控制和子脉冲宽度调节，选择性抵消特定次谐波，降低滤波器设计难度，适用于宽带开关模式功率放大器。

拓扑与调制协同优化

并联逆变器架构：采用交错PWM或零共模PWM，结合双三相电机设计，直接从机器端抑制噪声，提升电力推进系统的功率密度。

主动零状态PWM（AZSPWM） ：优化空间矢量调制过程，减少开关次数，降低损耗并提高系统稳定性。

动态控制与软启策略

调制比软启动技术：在整流器启动阶段，通过斜率控制电流参考值或电压参考值按抛物线规律上升，抑制冲击电流。例如切除电压外环控制器或注入反向直流分量。

自抗扰控制（ADRC） ：应用于单相PWM整流器电压外环，提升动态响应性能，通过虚拟分量简化模型并优化控制。

电力推进与新能源汽车

交错PWM和零共模PWM技术用于电机驱动系统，结合双三相架构降低电磁噪声，成为未来电驱系统的潜在方案。

混合开关评估、高精度参数识别等PWM相关技术提升电动汽车电机控制单元的效率和可靠性。

高速铁路与牵引供电

SHE-PWM技术消除牵引电网与列车耦合共振，结合主动集优化算法实现谐波抑制，Matlab仿真验证其可行性。

可再生能源与并网系统

三维滞回PWM技术应用于三相四线电压源转换器，通过矢量误差控制减少开关损耗，主动补偿不平衡非线性负载电流。

非线性调制策略降低单级升压逆变器的输出谐波，THD可控制在4.42%。

工业变频与滤波

主动滤波技术采用PWM或SPWM控制，有效抑制变频器谐波，但需权衡成本与控制复杂度。

再生转换器结合AI技术优化谐波抑制，无需额外电路即可满足IEEE 519标准（THD<5%）。

优势：

无需额外无源元件（如滤波器），提升系统功率密度。

动态响应快，适应复杂工况（如电机启动、负载突变）。

挑战：

随机调制策略（如RPWM）的不可预测性增加设计难度。

高频开关可能引入新的谐波或温升问题，需降额使用（如PWM优化2模式下变频器温升较高）。

绿色调制技术：结合软开关（ZVS/ZCS）降低损耗与EMI，推动环保型电力电子设计。

智能化与AI融合：如模糊控制、神经网络优化PWM参数，提升谐波抑制自适应能力。

多目标协同优化：在抑制噪声、谐波的同时，兼顾效率、成本与可靠性，例如UDPWM在EMI与效率间的平衡。

综上，基于PWM优化的主动抑制技术通过多维策略创新，在多个关键领域实现了性能突破，未来将进一步向智能化、高集成度和绿色化方向发展。

PWM优化技术在减少电磁干扰（EMI）方面的最新研究进展主要集中在以下几个方面：

变频PWM（VSFPWM）：

变频PWM技术通过控制电流波纹的同时改善EMI和功率损耗。这种方法在控制电流波纹和减少EMI方面表现出色，适用于电力电子变换器的设计。

周期变开关频率PWM设计方法：

研究团队提出了周期变开关频率PWM设计方法，包括UDPWM和NDPWM。这些方法通过调整开关频率来分散谐波成分，从而减少EMI。

零CMEM技术：

针对共模（CM）EMI问题，研究团队提出了零CMEM技术。这种技术通过特定的PWM调制策略，有效抑制共模EMI。

随机PWM（RPWM）技术：

随机PWM技术通过随机化开关信号参数（如周期、导通时间、占空比和开关周期的尾部边缘），减少谐波成分的功率谱密度（PSD）。实验结果表明，RPWM技术能显著降低高频范围内的谐波功率，从而减少导频EMI。

频谱扩展调制技术：

频谱扩展调制技术通过改变开关频率的分布，平滑频谱，减少EMI峰值。这种方法将EMI峰值的能量转移到更宽的频谱范围内，从而降低EMI。

主动抑制方法：

主动抑制方法包括优化的开关瞬态和PWM策略，这些方法不需要额外的被动元件，可以减少传导EMI。例如，软开关辅助电路和主动栅极驱动方法通过改变dv/dt和df/dt，抑制高频带的EMI。

机器学习优化PWM：

三菱电机的研究团队提出了一种使用机器学习优化PWM逆变器中载波信号的技术。通过将PWM载波信号进行高频调制，将高次谐波谱能量扩展到更宽的频谱范围，从而降低EMI。实验结果表明，该方法可以将EMI水平降低15dB。

混合脉冲PWM技术：

混合脉冲PWM技术通过将高幅度谐波频率转移到其他幅度，进一步优化EMI消除效果。这种方法在实际应用中表现出较高的有效性。

第三谐波注入方法：

第三谐波注入方法通过修改第三谐波注入技术，减少系统中的CMC和CMV。这种方法结合了PWM方法和EMI扼流圈，显著降低了系统失真。

闭环栅极驱动器和软开关电路：

闭环栅极驱动器和软开关电路通过控制di/dt和dv/dt，减少高频导通EMI的幅度。这些方法在低频段对EMI有较好的抑制效果。

最新的研究进展主要集中在通过优化PWM调制策略、引入随机化技术、利用机器学习和频谱扩展调制技术等方法来减少电磁干扰。

SHE-PWM（选择性谐波消除脉宽调制）技术结合主动集优化算法的具体实现机制如下：

SHE-PWM的基本原理：SHE-PWM技术通过计算逆变器开关的最优切换时刻，以消除特定频率的谐波。其核心在于解决一组超越方程，这些方程描述了不同开关角度对输出波形谐波谱的影响。SHE-PWM技术特别适用于低开关频率的应用场景，因为它能够有效控制低阶谐波，从而减少总谐波失真（THD）。

主动集优化算法的应用：在SHE-PWM技术中，主动集优化算法用于解决包含多个开关角和复杂超越方程的优化问题。传统的迭代算法（如梯度下降法和牛顿法）在处理SHE-PWM问题时存在初始值依赖性强、收敛速度慢等问题。主动集优化算法通过引入一个“主动集”来逐步逼近最优解，显著提高了求解效率和稳定性。

具体实现机制：

超越方程的建立：SHE-PWM技术首先建立一组超越方程，这些方程描述了不同开关角度对输出波形谐波谱的影响。例如，对于四象限PWM（4QC）变换器，当其特征谐波频率与牵引电网的共振频率匹配时，系统中可能产生共振。为了抑制这种共振，需要计算消除特定频率谐波的开关角度。

主动集优化算法的引入：由于SHE-PWM过程包含多个开关角，且超越方程复杂，传统迭代算法难以直接求解。主动集优化算法通过将问题分解为多个子问题，并逐步逼近最优解，有效解决了这一问题。该算法对初始值依赖性较低，能够快速收敛到最优解。

优化目标函数的选择：在SHE-PWM技术中，优化目标函数通常选择为最小化特定频率谐波的幅值。通过主动集优化算法，可以高效地找到使目标函数达到最小值的开关角度组合。

实际应用中的优势：

高效性：主动集优化算法通过逐步逼近最优解，避免了传统迭代算法的初始值依赖性和收敛速度慢的问题，显著提高了求解效率。

鲁棒性：该算法对初始值的依赖性较低，能够在复杂的开关角和谐波消除条件下稳定求解。

灵活性：SHE-PWM技术结合主动集优化算法，可以灵活应用于多级逆变器拓扑结构，包括但不限于四象限PWM变换器、多电平逆变器等。

实验验证：实验结果表明，基于主动集优化算法的SHE-PWM技术能够有效消除特定频率的谐波，减少电网-列车耦合共振现象。例如，在高速铁路牵引供电系统中，通过SHE-PWM技术结合主动集优化算法，可以显著改善牵引供电系统的谐波性能，提高系统的稳定性和效率。

随机PWM（RPWM）与均匀分布扩频调制（UDPWM）在实际应用中的性能比较如下：

电磁干扰（EMI）抑制效果：

RPWM：随机PWM通过随机改变开关频率，可以有效消除大多数EMI尖峰，从而降低传导EMI。然而，由于随机数生成的不确定性，每次实验结果可能不完全相同，这增加了后续电路设计的复杂性。

UDPWM：均匀分布扩频调制通过在一定范围内均匀分布开关频率，能够更有效地分散EMI能量，从而显著降低传导EMI。研究表明，UDPWM可以将传导EMI降低10-20 dB。

开关损耗：

RPWM：RPWM虽然可以减少开关损耗和EMI，但由于随机数生成的不确定性，开关损耗和纹波不可控，且实验结果可能不完全重复。

UDPWM：UDPWM通过均匀分布开关频率，能够最小化开关损耗。研究表明，UDPWM可以提高MMC的效率，具体表现为输出电压和电流效率的提高。

电能质量：

RPWM：RPWM可以显著降低传导EMI，但其电能质量的提升效果不如UDPWM明显。

UDPWM：UDPWM不仅降低了传导EMI，还显著提高了电能质量。例如，UDPWM相电流THD降低了4.07%，线电压THD降低了1.65%。

系统设计复杂性：

RPWM：RPWM的设计和实现相对简单，但随机数生成的不确定性增加了系统的复杂性和控制难度。

UDPWM：UDPWM需要精确控制开关频率的分布，设计和实现相对复杂，但其性能优势明显。

实际应用中的表现：

RPWM：在实际应用中，RPWM可以有效降低噪声和机械振动，但其性能受随机数生成的影响较大。

UDPWM：在实际应用中，UDPWM表现出更高的可靠性和稳定性，尤其是在需要高电能质量和低EMI的应用场景中。

虽然RPWM在某些情况下可以有效降低EMI和开关损耗，但其性能受随机数生成的不确定性影响较大，设计和实现相对简单。相比之下，UDPWM在降低EMI、提高电能质量和系统效率方面表现更为优异，但其设计和实现相对复杂。

主动零状态PWM（AZSPWM）算法通过优化空间矢量调制（SVPWM）过程中的开关次数，显著提高了电力电子系统的效率和性能。以下是AZSPWM算法如何优化空间矢量调制以减少开关次数和提高系统稳定性的详细解释：

减少开关次数：

AZSPWM算法通过使用两个相邻的基本电压矢量（VVs）和两个相反的主动电压矢量（AVVs）来替代传统的零矢量（ZVs）。这种方法不仅减少了不必要的开关操作，还降低了系统的能量损耗。

通过减少开关次数，AZSPWM算法能够提高系统的响应速度和稳定性。这是因为减少开关次数可以减少电磁干扰（EMI）和噪声，从而提高系统的整体性能。

降低共模电压（CMV）：

AZSPWM算法通过引入适当的互补非零向量来合成参考电压，有效降低了共模电压（CMV）。例如，在三相四腿电压源逆变器中，AZSPWM方法可以将CMV降低到传统SVPWM方法的三分之一。

具体来说，AZSPWM算法在每个开关周期内使用四个电压矢量（两个VVs和两个AVVs）来合成参考电压，从而有效减少了CMV。这种方法不仅降低了CMV，还保持了三维空间矢量调制（3-D CSVPWM）的正特性。

提高系统稳定性：

AZSPWM算法通过减少开关次数和降低CMV，提高了系统的稳定性。减少开关次数可以减少电磁干扰和噪声，从而提高系统的可靠性和稳定性。

在集成动态制动系统（IDBS）中，AZSPWM算法通过减少CMV，显著提高了系统的稳定性和可靠性。此外，该算法在全负载范围内有效，不会增加开关损耗。

计算负担的减轻：

基于虚开关时间（IST）概念的AZSPWM算法进一步减轻了计算负担。该算法不使用角度和扇区信息，而是使用两个相邻的电压矢量和两个相反的主动电压矢量，具有相等的占空比，从而实现了零状态的有效消除。

这种方法不仅减少了CMV波动，还降低了算法的计算负担，使得AZSPWM算法在实际应用中更加高效。

与其他方法的比较：

与传统的SVPWM方法相比，AZSPWM算法通过减少开关次数和降低CMV，显著提高了系统的性能。例如，NSPWM方法虽然也能减少开关次数，但其CMV和开关损耗较高。

与近零状态PWM（RSPWM）方法相比，AZSPWM算法在减少CMV方面更为有效，且不会增加额外的开关损耗。

综上所述，主动零状态PWM（AZSPWM）算法通过优化空间矢量调制过程中的开关次数和降低共模电压，显著提高了电力电子系统的效率、性能和稳定性。

在新能源汽车和高速铁路领域，PWM（脉宽调制）优化技术的应用案例非常广泛，具体如下：

电机控制：

PWM逆变器：在新能源汽车中，PWM逆变器用于将电池的直流电转换为交流电，驱动电机。通过优化PWM逆变器的电压阈值和绝缘系统可靠性，可以提高电机的性能和安全性。

PWM整流器：在电动汽车的充电系统中，PWM整流器用于高效地将交流电转换为直流电，为电池充电。这种技术不仅提高了充电效率，还减少了能量损失。

驱动系统：

PWM变频电机驱动：在电动汽车中，PWM变频电机驱动技术通过调节脉冲宽度来控制电机的速度和扭矩，实现高效的动力传输。这种技术在高速铁路牵引系统中也有应用，通过调节脉冲宽度来控制电机的输出电压和频率。

储能系统：

双向储能变流器控制系统：在电动汽车的储能系统中，PWM技术用于实现电池的充放电状态转换，提高系统的能量利用效率。这种技术不仅提高了电池的使用寿命，还减少了能源浪费。

牵引供电系统：

SHE-PWM技术：在高速铁路牵引供电系统中，SHE-PWM（特定谐波消除脉宽调制）技术用于抑制谐波干扰。通过消除注入牵引网的固有谐波频率的谐振，SHE-PWM技术可以有效减少电网-列车耦合谐振现象，提高系统的稳定性和可靠性。

四象限PWM转换器：在高速铁路牵引供电系统中，四象限PWM转换器用于实现高效的能量转换。这种技术通过控制波形的基波分量和消除特定次谐波，精确控制谐波，提高了系统的性能和稳定性。

制动系统：

PWM转换器：在高速列车的制动系统中，PWM转换器用于将交流电转换为直流电，实现再生制动。这种技术不仅提高了制动效率，还减少了对地面变频设备的依赖，降低了能耗。

谐波消除：

SHE-PWM控制技术：在高速铁路牵引供电系统中，SHE-PWM控制技术用于消除逆变器输出电压中的低次谐波。这种技术在实验中验证了其优越性，成功消除了34种低次谐波，显著提高了系统的性能。

光伏逆变器：在光伏系统中，PWM技术用于调节输出电压，跟踪最大功率点，提高光伏系统的能量转换效率。

储能系统：在储能系统中，PWM技术用于实现电池的充放电状态转换，提高系统的能量利用效率。