电动汽车驱动中随机空间矢量PWM的谐波特性与控制方法研究

The random space vector pulse width modulation (SVPWM) can greatly weaken the cluster harmonic peaks of the deterministic modulation strategy, so the problem of the electromagnetic radiation, audio noise and mechanical vibration resulting from the harmonic with the prominent amplitude can be solved from the source. Aiming at the requirement of the harmonic spectrum and amplitude peak in the electric drive system of the electric vehicle (EV), the harmonic spectrum customization idea is proposed to choose the random strategy and parameters to control the harmonic based on the harmonic characteristic of the random SVPWM. Based on the theoretic deduction, simulation and experiment, the work will focus on three aspects: (1)the mathematical formulas and the characteristics of the basic random strategies of random switching frequency SVPWM , random pulse position SVPWM, and random zero-vector distribution PWM, (2)the mathematical formulas and the characteristics of the hybrid random SVPWM, and (3)the harmonic spectrum requirement and expression method, and the optimal spectrum customization method in the EV drive system based on the mathematical relationship between the random strategies and the harmonic. The study provides theory fundamental and technology support for the application of the random SVPWM in the EV drive system, and the forecast, assessment and establishment of the correlative standard about the EV electromagnetic radiation, noise and so on.

随机空间矢量PWM(SVPWM)能极大地削弱确定性调制策略离散集簇频谱的谐波峰值，可以从源头上改善大幅值谐波带来的机械振动、噪声、电磁辐射等问题。本项目针对电动汽车(EV)对驱动系统中谐波频谱与峰值的要求，在研究随机SVPWM谐波特性的基础上，提出了谐波频谱定制的思想，来选择随机化调制策略及参数以达到控制谐波的目的。综合采用理论推导、仿真与实验相结合的方法系统化研究：(1)随机开关频率SVPWM、随机脉冲位置SVPWM、随机零矢量分配SVPWM等单一随机化策略下谐波频谱的数学表达及规律;(2)混合随机SVPWM策略下谐波频谱的数学表达及规律;(3)分析EV中需要定制的谐波频谱形式及表达方法,根据随机化策略与谐波之间的数学关系，研究随机化策略下最优的频谱定制方法。本项目的研究为随机SVPWM在EV驱动中的实际应用，EV电磁辐射、噪声等的预测、评估及相关标准的制定提供理论依据与技术支持。

电动汽车(EV)驱动系统中采用的确定性空间矢量PWM(SVPWM)输出的电压和电流中包含了大幅值的集簇谐波，带来了机械振动、噪声、电磁辐射等问题，而随机SVPWM(RSVPWM)能削弱确定性SVPWM的集簇谐波峰值。本项目在研究RSVPWM特性的基础上，基于谐波定制的思想来控制EV驱动系统的谐波频谱与峰值。主要内容包括：(1)随机化策略的谐波特性。提出了统一的谐波表达及处理方法，并在两电平与三电平逆变器上从谐波电流和谐波畸变率两方面进行了验证。开发出了新的RZDPWM策略和HRPWM策略，并分析了谐波特性；提出了一种基于开关周期优化的谐波峰值削弱方法，用一个自适应宽度的时间窗口来控制平均开关频率。(2)提出了基于FPGA的RSVPWM调制器，提出了一种新的SVPWM试验装置及直流母线调压方法。(3)EV的振动特性与电磁辐射特性及其测试装置。提出了将频率分解谐波平衡法与弧长延拓相结合，来高精度求解含有高阶非线性项非线性振动方程的响应；研究了EV电磁辐射测试方法与自动化测试装置, 对EV电驱动系统的电磁辐射干扰进行研究。(4)随机化策略下的谐波定制方法。提出了一种基于蒙特卡洛方法的RSVPWM谐波频谱定制方法。因为不同的随机化策略在一定的程度上具有等价性，因此提出了一种不同随机化策略之间的转换方法，将复杂的随机化策略转换为容易实现的策略。本项目研究成果的应用能够显著减小EV电驱动系统的电磁辐射、振动、噪声等不良效应，进而提高EV的舒适性、电能利用的效率和驱动系统的可靠性。