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

永磁同步電機（PMSM）因其維護成本低、效率高、功率密度高等特點，廣泛應(yīng)用于軌道交通、工業(yè)機器人和新能源電動汽車等領(lǐng)域。然而，空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的應(yīng)用導致電機相電流在開關(guān)頻率的整數(shù)倍處呈現(xiàn)出簇狀諧波分布，從而導致電機噪聲和振動問題。為了解決這些問題，本文提出了一種基于三態(tài)馬爾可夫鏈的三隨機SVPWM（TRPWM）策略，該策略集成了隨機脈沖位置、隨機開關(guān)頻率和隨機小矢量駐留時間。通過遵循電壓二次平衡原理，該策略將集中的高頻諧波傳播到更寬的頻率范圍內(nèi)，顯著降低了相電流中集中諧波的幅度。與傳統(tǒng)SVPWM、傳統(tǒng)雙隨機SVPWM和傳統(tǒng)三隨機SVPWM策略的比較實驗表明，所提出的方法實現(xiàn)了相電流中開關(guān)頻率整數(shù)倍的諧波擴展，有效地抑制了永磁同步電機中的高頻振動。

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三電平逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)

作者信息

金雪峰，1978年生于吉林。他于2001年和2006年分別獲得天津大學電氣工程學士和碩士學位。2006年加入天津電氣科學研究院。自2019年以來，他一直擔任天津工業(yè)學院的工程教授。他的研究興趣包括高功率密度電力電子轉(zhuǎn)換器的設(shè)計和智能控制技術(shù)。

吳坤陽，于2019年獲得河南工業(yè)大學電氣工程與自動化學士學位。他目前正在天津工業(yè)大學電氣工程學院攻讀電氣工程碩士學位。他目前的研究興趣包括永磁同步電機的減振和降噪。

谷鑫(Member, IEEE)，1980年出生于中國天津。他于2003年、2006年和2010年獲得天津大學電氣工程學士、碩士和博士學位。他目前是電氣工程學院和國家電氣系統(tǒng)設(shè)計與制造地方聯(lián)合工程研究中心的教授。他也是天津工業(yè)大學電機系統(tǒng)研究所的副所長。他的研究興趣包括永磁同步電機、電力電子轉(zhuǎn)換器及其控制系統(tǒng)。

張國政（Member，IEEE），1985年出生于中國大同。他于2008年獲得天津大學學士學位，2011年獲得天津科技大學碩士學位，以及天津大學博士學位。2017年，他從事電氣工程。他目前是天津工業(yè)大學電氣工程學院的副教授，也是國家電氣系統(tǒng)設(shè)計與制造地方聯(lián)合工程研究中心的副教授。他的研究興趣包括電機、多電平變流器及其控制系統(tǒng)。

王慧敏，分別于2005年和2011年獲得天津大學電氣工程學士和博士學位。她目前是天津工業(yè)大學電氣工程學院和中國天津電機系統(tǒng)設(shè)計與制造國家地方聯(lián)合工程研究中心的教授。她目前的研究興趣包括永磁電機的設(shè)計、優(yōu)化和控制。

陳煒(Member, IEEE)，1977年出生于中國山西。分別于2000年、2003年和2006年獲得天津大學電氣工程學士、碩士和博士學位。他目前是天津工業(yè)大學電氣工程學院的正教授，中國電機系統(tǒng)設(shè)計與制造國家地方聯(lián)合工程研究中心主任。他的研究興趣包括電機和驅(qū)動器，以及電力電子。

《中國電工技術(shù)學會電機與系統(tǒng)學報（英文）》(CES TEMS)是中國電工技術(shù)學會和中國科學院電工研究所共同主辦、IEEE PELS學會技術(shù)支持的英文學術(shù)期刊。期刊發(fā)表國內(nèi)外有關(guān)高性能電機系統(tǒng)、電機驅(qū)動、電力電子、可再生能源系統(tǒng)、電氣化交通等研發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域中原創(chuàng)、前沿學術(shù)論文。中國工程院院士馬偉明擔任主編，IEEE 副主席 Don Tan 博士為國際主編。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中國科學引文數(shù)據(jù)庫(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知網(wǎng)、萬方、維普等數(shù)據(jù)庫收錄。

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