電能變換領(lǐng)域中隨機(jī)脈寬調(diào)制技術(shù)研究概況及展望*

董雨蒔, 許 杰, 聶子玲, 劉 洋, 朱俊杰

(海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

0 引 言

在電力牽引與傳動(dòng)領(lǐng)域中，各類機(jī)電負(fù)載供電電源的輸出電能質(zhì)量關(guān)系到整體機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定[1-3]。脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)是現(xiàn)代電力變換系統(tǒng)中最常見的調(diào)制方法，然而傳統(tǒng)的PWM技術(shù)存在一個(gè)固有問題：輸出電壓諧波高度集中在開關(guān)頻率整數(shù)倍附近，過高的諧波峰值會(huì)對機(jī)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生威脅[4-6]。在現(xiàn)代軌道交通、艦船全電推進(jìn)等領(lǐng)域，電力變換裝置的電壓與功率等級不斷提高，交流電源輸出電壓諧波直接影響動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行的安全[7-10]；對機(jī)電負(fù)載而言，單一頻率的諧波功率會(huì)引發(fā)較大的機(jī)械振動(dòng)與聲學(xué)噪聲，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定與人員健康[11-12]；在目標(biāo)探測與識(shí)別領(lǐng)域，雷達(dá)導(dǎo)引頭對目標(biāo)的識(shí)別主要依靠目標(biāo)單位產(chǎn)生的諧波強(qiáng)度、散射系數(shù)或頻譜分布程度，因此艦船噪聲特別是潛艇噪聲的頻譜分布特性與其隱蔽性能高度相關(guān)[13-14]。

隨機(jī)脈寬調(diào)制(RPWM)技術(shù)可以顯著削弱頻譜上開關(guān)頻率整數(shù)倍次的諧波峰值，同時(shí)弱化對應(yīng)次數(shù)諧波的功率譜及頻譜特征,避免分布集中的諧波對機(jī)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來的威脅[15]。本文總結(jié)了RPWM技術(shù)的工程研究現(xiàn)狀，對各類RPWM的基本原理進(jìn)行介紹，概述了這一技術(shù)存在的問題，并基于此對未來的研究方向進(jìn)行了展望和預(yù)測。

1 經(jīng)典PWM技術(shù)概述

正弦脈寬調(diào)制(SPWM)是最常見的載波PWM技術(shù)，其原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)與控制，然而存在直流電壓利用率低、對調(diào)制比要求較高等顯著問題?；赟PWM思想的常見改進(jìn)方法包括載波層疊PWM、載波移相PWM等。載波層疊PWM的基本原理為，將單邊SPWM的三角載波按y軸對稱，與正弦參考波雙向調(diào)制，在一個(gè)周期內(nèi)生成極性相反的脈沖序列[16]。這一方法繼承了SPWM的固有缺陷，對逆變器性能有較大限制。載波移相技術(shù)[17]是將多個(gè)相位不等的三角載波與同一正弦載波比較，這一方法可以增加等效開關(guān)效率，因此在級聯(lián)多電平拓?fù)渲杏休^廣泛的應(yīng)用。

以削弱總諧波畸變(THD)為目的，業(yè)界提出了一種基于載波PWM的特定諧波消除方法，即控制開關(guān)脈沖的邊沿位置以完全消除輸出電壓中特定頻率的諧波[18]。這一方式需要精確控制脈沖起止，且特定諧波的消除需要通過超越方程求解脈沖邊緣偏移的相位角，每次計(jì)算均基于當(dāng)前周期內(nèi)的相位偏移進(jìn)行，計(jì)算量過大，在高頻與快速響應(yīng)的系統(tǒng)中并不適用。

從交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需圓形磁通軌跡的角度，20世紀(jì)90年代發(fā)展出了空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，其本質(zhì)是在短周期內(nèi)按特定規(guī)律切換橋臂各開關(guān)通斷來改變輸出電壓的合成矢量，從而使其形成的磁場更趨近圓形。1980年Nabae等[19]提出一種中性點(diǎn)鉗位(NPC)三電平拓?fù)?Nabae電路)。與傳統(tǒng)的H橋兩電平逆變拓?fù)湎啾?，以三電平為代表的多電平結(jié)構(gòu)具有更小的開關(guān)應(yīng)力，且輸出電壓諧波含量更少，具有更高的直流電壓利用率，增大了拓?fù)淙蒎e(cuò)性能，極大拓展了SVPWM的應(yīng)用范圍。三電平電路的實(shí)現(xiàn)方式除中性點(diǎn)鉗位外，還可通過飛跨電容與級聯(lián)形式實(shí)現(xiàn)。以NPC三電平為例，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與電壓空間矢量如圖1所示，相應(yīng)開關(guān)函數(shù)與開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 開關(guān)函數(shù)與開關(guān)狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系(X為相序，1為導(dǎo)通，0為關(guān)斷)

圖1 NPC三電平拓?fù)浼捌淇臻g矢量

SVPWM技術(shù)需要通過大量數(shù)值計(jì)算實(shí)現(xiàn)，而DSP與FPGA等數(shù)字處理芯片性能不斷提升為算法的深入研究掃除了障礙。一些SVPWM的優(yōu)化算法不斷被提出并應(yīng)用，如旨在降低計(jì)算量的新坐標(biāo)系計(jì)算[20-22]、消除中性點(diǎn)電位不平衡的虛擬矢量調(diào)制[23]以及降低開關(guān)損耗的脈沖跳變[24]等。

2 隨機(jī)脈寬調(diào)制基本類型

2.1 隨機(jī)脈寬調(diào)制的起步

經(jīng)典PWM技術(shù)中輸出電壓諧波高度集中在載波頻率的整數(shù)倍次，產(chǎn)生的諧波幅值與振動(dòng)噪聲較大。20世紀(jì)90年代初，Trzynadlowski等[25]為解決潛艇噪聲過大的問題，基于單相H橋拓?fù)涮岢鯮PWM技術(shù)，并明確指出：若將開關(guān)頻率與開關(guān)脈沖導(dǎo)通位置隨機(jī)改變，則輸出電壓諧波會(huì)包含多重的隨機(jī)頻率，從而改變輸出諧波的頻域分布。該思想隨后成為RPWM技術(shù)研究的基礎(chǔ)。

Tanaka等[26]于1991年提出一種基于Boost電路的直接生成間隔隨機(jī)的脈沖序列方法，如圖2所示。這一方法的本質(zhì)是通過某個(gè)隨機(jī)規(guī)律P(t)直接決定當(dāng)前與下一個(gè)脈沖的間隔寬度，延展了輸出電壓的諧波頻譜。文獻(xiàn)[27]以削弱永磁同步電機(jī)的機(jī)械噪聲為目的，設(shè)計(jì)了一種將隨機(jī)離散序列作為載波、固定頻率三角波作為調(diào)制波的簡化RPWM算法，生成如圖3所示的寬度與間隔均隨機(jī)的脈沖序列。這一調(diào)制方法下的聽覺噪聲與振動(dòng)(ANV)降低約35%，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也得以削弱40%。

圖2 間隔隨機(jī)的脈沖序列[26]

圖3 間隔與寬度均隨機(jī)的脈沖序列[27]

從圖3可知，隨機(jī)序列變化范圍會(huì)對應(yīng)影響載波PWM的調(diào)制系數(shù)，因此在選取不同隨機(jī)序列統(tǒng)計(jì)參數(shù)時(shí)應(yīng)精確設(shè)計(jì)PWM的調(diào)制比。當(dāng)增大序列方差時(shí)會(huì)產(chǎn)生過調(diào)制；方差減小使調(diào)制比下降，影響電壓利用率，對輸出電能質(zhì)量均會(huì)產(chǎn)生較大影響[28]。此外，以隨機(jī)序列作為載波的算法實(shí)際的開關(guān)周期即為隨機(jī)序列更新周期，實(shí)際工作中需要盡可能提高隨機(jī)數(shù)更新速度以滿足載波頻率遠(yuǎn)大于工頻的基本要求，算法設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用并不廣泛。

2.2 基于脈沖位置的RPWM技術(shù)

圍繞載波PWM和SVPWM特征參數(shù)隨機(jī)化的RPWM技術(shù)具有更廣泛的實(shí)用性。其中一種較為直觀的方案是在一個(gè)固定開關(guān)周期內(nèi)隨機(jī)改變脈沖的中心偏移程度或?qū)挾?，即隨機(jī)脈沖位置PWM(RPP-PWM)。文獻(xiàn)[29]提出了一種最簡單的RPP-PWM，即將每一次脈沖觸發(fā)位置均選在固定周期Ts的起止處，稱為邊緣隨機(jī)脈沖位置PWM(Leag-lag RPP-PWM),如圖4所示。

圖4 邊緣隨機(jī)脈沖位置PWM[29]

這一調(diào)制方法的本質(zhì)是將脈沖觸發(fā)位置固定在每個(gè)開關(guān)周期的起止處。脈沖位置在周期切換時(shí)刻的開始即為前沿調(diào)制，在脈沖的下降沿與周期末端對齊則為后沿調(diào)制，2種狀態(tài)可根據(jù)0-1分布隨機(jī)切換。在這一調(diào)制方式下，脈沖在前一周期末尾與后一周期開始處背靠背合并的概率僅為25%，且平均開關(guān)頻率與固定周期的頻率存在正比例關(guān)系，可以通過控制這一比例系數(shù)來獲取需要的平均開關(guān)頻率。類似地，文獻(xiàn)[30]基于一種雙路輸出的無線傳能裝置提出一種隨機(jī)脈沖觸發(fā)信號(hào)延時(shí)的RPP-PWM算法。這一方法本質(zhì)上仍屬于RPWM技術(shù)，保證了雙路輸出的較好均壓效果，但并未以諧波頻譜分散為主要目的，雖然仍在某種程度上反映了RPWM思想的通用性。

RPP-PWM思想可與SVPWM技術(shù)中的分段脈沖生成原理結(jié)合，隨機(jī)改變各段脈沖在每個(gè)定長開關(guān)周期內(nèi)的位置。文獻(xiàn)[31]提出一種如圖5所示的RPP-SVPWM技術(shù)，即隨機(jī)零矢量分配調(diào)制。其主要思想是隨機(jī)分配一個(gè)周期內(nèi)2個(gè)零矢量作用時(shí)間tzero的比例。根據(jù)伏秒平衡原理，零矢量并不改變有效矢量的合成效果，因此其總作用時(shí)間在一個(gè)周期內(nèi)不變，合成參考電壓矢量的幅值與位置就不會(huì)受到影響。

圖5 隨機(jī)零矢量分配SVPWM[31]

近年來新的RPP-SVPWM優(yōu)化算法不斷提出。例如文獻(xiàn)[32]提出一種脈沖中心隨機(jī)偏移的調(diào)制算法，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)將三相開關(guān)脈沖隨機(jī)偏移，本質(zhì)是改變左右邊緣2個(gè)相同開關(guān)函數(shù)零矢量的時(shí)間權(quán)重。然而這一技術(shù)同時(shí)受到最大占空比的限制：一旦偏移量過大，超出單個(gè)脈沖的最大占空比，就會(huì)使得一側(cè)零矢量消失[33]，改變有效矢量的作用時(shí)間，影響矢量合成效果。

類似地，文獻(xiàn)[34]基于2電平逆變電路提出一種基于2種低開關(guān)損耗模態(tài)隨機(jī)切換的RPP-SVPWM技術(shù)，即將圖5所示的2種開關(guān)序列各自為一個(gè)整體，在此2種低損耗開關(guān)模式下隨機(jī)切換，如圖6所示，其本質(zhì)亦是零矢量作用時(shí)序的隨機(jī)變換。

圖6 零矢量時(shí)序隨機(jī)切換SVPWM[32]

這一方法實(shí)現(xiàn)方法較為簡單，但缺少類似RPWM技術(shù)的諧波峰值及功率譜削弱的比較，且已無法滿足日益增長的高速高精度的調(diào)制需求。

需要注意的是，由于在正常調(diào)制比下三電平電路的矢量合成只有有效矢量參與，因此基于零矢量位置的隨機(jī)調(diào)制技術(shù)并不適用于高電平拓?fù)?。文獻(xiàn)[35]實(shí)現(xiàn)了另一種適用于三電平的非中心對稱的RPP-SVPWM算法，如圖7所示。其基本原理是將原本對稱的開關(guān)周期Ts按隨機(jī)系數(shù)R分配成2個(gè)半?yún)^(qū)，且保證2個(gè)半?yún)^(qū)內(nèi)相同矢量的占空比相同。

圖7 脈沖中心隨機(jī)偏移SVPWM

圖8 隨機(jī)半?yún)^(qū)分配比例SVPWM

RPP-PWM的技術(shù)路線更為便捷直觀，隨機(jī)參數(shù)亦有明確的邊界條件。然而邊界條件同樣限制了隨機(jī)脈沖寬度或位置的允許變化量，進(jìn)而限制了諧波分散效果。同時(shí)，從數(shù)學(xué)角度同樣可以證明：RPP-PWM技術(shù)在整體上削弱了集中分布的諧波頻譜，但頻譜及功率譜仍存在離散成分，對諧波簇的分散效果并不理想[36]。此外，基于零矢量的多種隨機(jī)SVPWM調(diào)制并不適用于高電平拓?fù)?，原因在于零矢量參與合成僅在調(diào)制比過低或工作在故障狀態(tài)時(shí)才可能在多電平電路中出現(xiàn)。以上原因均制約著RPP-PWM的應(yīng)用前景。

2.3 基于開關(guān)頻率的RPWM技術(shù)

相較于上文所述的隨機(jī)脈沖位置PWM技術(shù)，另一種以開關(guān)頻率作為隨機(jī)參數(shù)的PWM技術(shù)具有更好的頻譜分散效果，應(yīng)用更為廣泛，稱為隨機(jī)開關(guān)頻率PWM(RSF-PWM)。以常見的正弦調(diào)制為例，SPWM技術(shù)中載波頻率遠(yuǎn)高于變換器工頻(調(diào)制波頻率)，因此在有限個(gè)載波周期內(nèi)調(diào)制波可近似為恒定，如圖9(a)所示。

圖9 固定與隨機(jī)載波頻率的PWM[28]

固定載波頻率的PWM(FCF-PWM)中，其輸出電壓可展開成傅里葉級數(shù)形式[28]：

bncos(nω1t)]

(1)

式中：ω1為三角載波的固定角頻率;uo為輸出電壓;n為正整數(shù)倍次。

計(jì)算傅里葉系數(shù)an和bn:

(2)

(3)

代入式(1)中的傅里葉展開式，化簡可得：

(4)

將輸出電壓視為直流分量(第一項(xiàng))與諧波含量(累加項(xiàng))的疊加，設(shè)余弦分量對應(yīng)的諧波系數(shù)為f(n)，則式(4)可化簡為

(5)

余弦函數(shù)的單邊傅里葉變換對是位于ω=nω1處的沖激函數(shù)(n為正整數(shù)，系數(shù)為π)，因此由式(5)可推導(dǎo)出：FCF-PWM技術(shù)中輸出電壓諧波會(huì)集中出現(xiàn)在載波頻率及其整數(shù)倍次處。將載波頻率隨機(jī)化，諧波無法按照上述固定倍頻疊加的規(guī)律集中，從而起到分散諧波頻譜的作用，此即為RSF-PWM技術(shù)的基本原理。文獻(xiàn)[37]對RPP-PWM與RSF-PWM進(jìn)行了對比分析，求解出隨機(jī)脈沖位置與隨機(jī)開關(guān)頻率的功率譜密度(PSD)的數(shù)學(xué)解析式，指出隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制下輸出電壓不含離散頻率譜，比隨機(jī)位置的PWM技術(shù)效果更好。

基于載波的RPWM技術(shù)較為簡便，研究起步較早。一種經(jīng)典的采用模擬電路實(shí)現(xiàn)的RPWM技術(shù)通過隨機(jī)選取并聯(lián)電容數(shù)量以改變充電速度(即三角載波斜率)的方式實(shí)現(xiàn)整流電源電流諧波的分散化[38]。然而由于模擬控制器抗干擾能力與運(yùn)算速度較差，該技術(shù)已不適應(yīng)如今電能變換裝置的高速與高精度控制要求。SPWM與SVPWM具有數(shù)學(xué)上的統(tǒng)一性[39-40]。隨著多電平技術(shù)的不斷發(fā)展，基于隨機(jī)開關(guān)頻率的SVPWM算法也得到了更廣泛的研究與應(yīng)用。RSF-SVPWM技術(shù)的核心在于每個(gè)隨機(jī)寬度的周期內(nèi)按比例生成多段脈沖。以三電平為例說明其基本原理，如圖10所示，圖中Ts、Ts1/Ts2分別表示固定與變化的調(diào)制周期。

圖10 隨機(jī)開關(guān)頻率SVPWM

文獻(xiàn)[41]對RPP與RSF 2種隨機(jī)SVPWM技術(shù)分別驗(yàn)證，認(rèn)為隨機(jī)位置 SVPWM 削弱噪聲的能力有限，而隨機(jī)開關(guān)頻率能更有效地分散集中在開關(guān)頻率及其整數(shù)倍次的諧波含量。RPWM具有較強(qiáng)的通用性，除常見的逆變電路亦可用于整流拓?fù)渲?。將RSF-SVPWM應(yīng)用在高頻Vienna整流電路，在二階濾波器的共同作用下可顯著削弱輸出電流的峰值噪聲[42]。

3 隨機(jī)調(diào)制的優(yōu)化研究與問題

RPWM技術(shù)旨在獲得分布更均勻的輸出電壓諧波頻譜。多年來國內(nèi)外研究人員從不同角度對此進(jìn)行了深入探索。

一方面是隨機(jī)數(shù)生成質(zhì)量與分布規(guī)律對RPWM效果的影響。文獻(xiàn)[43]列舉并詳細(xì)介紹了多種隨機(jī)數(shù)生成算法，如移位法、乘積取中、迭代取中、無理數(shù)變換、斐波那契數(shù)列、組合隨機(jī)數(shù)與線性同余等。在此類算法基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[44]提出一種基于FPGA生成高質(zhì)量高斯分布隨機(jī)數(shù)的高速算法；文獻(xiàn)[45]基于二極管整流-Boost 級聯(lián)DC-DC拓?fù)浣⒁环N八位線性移位寄存器作為隨機(jī)數(shù)生成模型，驗(yàn)證了RSF-PWM在諧波頻譜分散方面的卓越性能。

文獻(xiàn)[46]指出了根據(jù)開關(guān)損耗與機(jī)電系統(tǒng)振動(dòng)情況設(shè)計(jì)隨機(jī)開關(guān)頻率上下限的取值依據(jù)。文獻(xiàn)[47]針對服從不同分布的隨機(jī)函數(shù)進(jìn)行了PWM效果研究，提出了一種基于相對偏差的統(tǒng)計(jì)方法，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度證明了在同一均值與偏差情況下，改變隨機(jī)數(shù)服從的分布律對諧波功率噪聲峰值影響不大，僅在特定次諧波處的幅值有些許差異。以圖11所示的仿真結(jié)果為例。其中隨機(jī)調(diào)制周期分別受高斯分布與均勻分布的隨機(jī)序列控制，均值為0，方差為1/3，仿真采樣頻率為107Hz。進(jìn)一步地，文獻(xiàn)[48]從數(shù)學(xué)上證明了特定次諧波峰值的分散程度僅受中心頻率與隨機(jī)序列方差控制。在保證隨機(jī)數(shù)組均值與方差一致時(shí)，高斯分布序列數(shù)值范圍明顯高于均勻分布，因此實(shí)際應(yīng)用中，特別是中低開關(guān)頻率工況下采用均勻分布序列更為便捷合理。需要注意的是，文獻(xiàn)[28]已經(jīng)指出：隨機(jī)序列本身不滿足Dirichlet條件中的絕對可積要求，不能直接求解隨機(jī)序列本身的頻譜分布，因此往往需要通過Wiener-Khinchin定理構(gòu)建自相關(guān)函數(shù)以求解隨機(jī)函數(shù)與輸出諧波頻譜的聯(lián)系。

圖11 不同隨機(jī)參數(shù)分布律下NPC三電平拓?fù)銻SF-SVPWM相電壓PSD

一些研究人員注意到Markov鏈的無后效性，即下一狀態(tài)僅由當(dāng)前狀態(tài)決定[49]，如圖12所示，其中Pt表示當(dāng)前狀態(tài)切換的概率。將Markov鏈引入隨機(jī)數(shù)生成算法中可以顯著提高隨機(jī)數(shù)生成質(zhì)量，如文獻(xiàn)[50]在Buck變換器中采用雙Markov鏈生成隨機(jī)數(shù)，用RPP與RSF的雙隨機(jī)調(diào)制顯著減小了輸出電壓脈動(dòng)；文獻(xiàn)[51]提出了一種雙Markov鏈與偽隨機(jī)二進(jìn)制序列結(jié)合的雙隨機(jī)PWM算法，應(yīng)用在六相逆變器驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)的牽引系統(tǒng)中。這一RPWM技術(shù)對逆變器輸出電流的高頻諧波噪聲的抑制作用較為明顯，但在較低頻帶的諧波分散效果欠佳，仍有優(yōu)化改進(jìn)的空間。

圖12 Markov鏈基本原理[49]

另一方面，具有更好諧波分散效果的優(yōu)化RPWM算法也不斷被提出。RPWM技術(shù)的提出者Trzynadlowski等[52]于2010年介紹了GE公司研發(fā)的一種具有工程意義的車載RSF-PWM技術(shù)，比較了固定采樣頻率與變采樣頻率對輸出電流噪聲與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響，并指出隨機(jī)開關(guān)頻率與固定采樣頻率結(jié)合，具有更好的電磁噪聲抑制效果?；赗PP或RSF組合的雙隨機(jī)調(diào)制應(yīng)用研究愈發(fā)深入：基于隨機(jī)零矢量寬度與脈沖延時(shí)的雙隨機(jī)調(diào)制算法可用于異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)并起到減振降噪作用[53]。文獻(xiàn)[54]基于Boost變換器提出一種雙隨機(jī)脈沖位置的PWM技術(shù)，認(rèn)為不同開關(guān)頻率對應(yīng)的最優(yōu)采樣頻率不同，但這一技術(shù)的有效性缺乏定量描述，且雙脈沖位移應(yīng)用在多電平拓?fù)渲杏?jì)算量過大，少有研究驗(yàn)證其可行性。雙隨機(jī)SVPWM技術(shù)亦可用于模糊PI控制的靜止無功發(fā)生器(SVG)調(diào)制，從而優(yōu)化并網(wǎng)電流的波形，試驗(yàn)結(jié)果證明雙隨機(jī)調(diào)制策略可以大幅削減SVG輸出電壓電流的諧波幅值[55]。但雙隨機(jī)變量使算法的時(shí)間復(fù)雜度明顯增加，實(shí)現(xiàn)高速控制相對成本較高[56]。

業(yè)界對RPWM技術(shù)研究逐漸深入，一些問題同時(shí)開始顯現(xiàn)。

RPWM技術(shù)作為一種優(yōu)化調(diào)制算法具有較廣泛的通用性，但包含RPWM的綜合性應(yīng)用研究當(dāng)前少有提及。目前研究人員對RPWM的優(yōu)化研究仍然基于諧波頻譜分散化這一單一目的，如上文提及的RPP、RSF的雙隨機(jī)、雙脈沖位移技術(shù)以及針對隨機(jī)數(shù)生成質(zhì)量的優(yōu)化，均以輸出電壓或電流波形作為算法是否可行的衡量標(biāo)準(zhǔn)，但往往忽略由其他因素產(chǎn)生的諧波對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響。隨機(jī)思想具有相當(dāng)程度的通用性，理論上RPWM可以與其他優(yōu)化算法相結(jié)合，從多個(gè)角度實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量的優(yōu)化。

另外，RPWM技術(shù)可顯著削弱輸出諧波在載波頻率及其整數(shù)倍的含量，但同時(shí)諧波能量會(huì)分散至較寬頻帶內(nèi)。目前尚無對固定與隨機(jī)調(diào)制下系統(tǒng)電磁干擾(EMI)的對比分析，無法定量判斷RPWM對系統(tǒng)電磁環(huán)境的影響。同時(shí)，由于隨機(jī)調(diào)制使諧波頻譜呈現(xiàn)更均勻的分布，對濾波器效果會(huì)產(chǎn)生一定削弱。在PWM變換器中開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于工頻，實(shí)際產(chǎn)生的諧波次數(shù)相對基波較高，通常增加LC環(huán)節(jié)作為低通濾波器實(shí)現(xiàn)對高次諧波的消除。而RPWM技術(shù)會(huì)將集中于開關(guān)頻率及其整數(shù)倍次的諧波分?jǐn)傊琳麄€(gè)頻帶，勢必會(huì)產(chǎn)生一部分位于導(dǎo)通頻帶內(nèi)的低次諧波，從而增大濾波后電壓的THD。

4 結(jié) 語

RPWM相較于傳統(tǒng)PWM技術(shù)可以有效分散諧波頻譜，降低諧波整體幅值，并弱化噪聲頻譜特征的效果。從隨機(jī)參數(shù)的角度，常見的隨機(jī)調(diào)制技術(shù)可通過隨機(jī)開關(guān)位置與隨機(jī)開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)，一般認(rèn)為隨機(jī)開關(guān)頻率的方式具有更好的隨機(jī)效果。同時(shí)隨著多電平技術(shù)的廣泛應(yīng)用，結(jié)合隨機(jī)算法的多電平空間矢量調(diào)制正得到業(yè)界越來越高的重視。

當(dāng)下高速數(shù)字處理芯片的性能不斷提升，生成隨機(jī)序列的可靠性不斷提高，某些高性能但相對復(fù)雜的RPWM算法的可行性亦不斷增加。業(yè)界對隨機(jī)調(diào)制的基礎(chǔ)理論研究也日趨深入，設(shè)計(jì)隨機(jī)序列的概率統(tǒng)計(jì)參數(shù)控制特定次諧波幅值及功率的削弱已成為可能。另一方面，針對隨機(jī)調(diào)制本身的新的技術(shù)路線研究亦在進(jìn)行中，并有著向更高電平、更多類型拓?fù)浼案鼜V應(yīng)用場合發(fā)展的趨勢。

目前針對RPWM技術(shù)的研究仍有一些問題亟待解決，主要包括：

(1) 隨機(jī)調(diào)制目前往往只作為一種獨(dú)立的諧波處理方式應(yīng)用，而作為基本PWM的改進(jìn)技術(shù)，其具有較強(qiáng)的通用性，適用于各類電力變換裝置，理論上也可與其他調(diào)制和控制算法結(jié)合應(yīng)用。目前針對RPWM的綜合應(yīng)用研究仍然較少。

(2) RPWM技術(shù)的固有缺陷在于隨著諧波頻譜的分散化，對機(jī)電系統(tǒng)整體EMI的影響。對此尚未有定量分析，無法準(zhǔn)確評估算法與電磁兼容性能的相關(guān)性，且具有特定導(dǎo)通帶寬的濾波裝置效果會(huì)有所下降，因此在對THD等電能質(zhì)量參數(shù)敏感的高精度電子電路中，應(yīng)重新考慮濾波環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)以增大阻塞頻帶，保證最終輸出諧波含量的穩(wěn)定。