1.2.2 绕组开路电机系统控制策略

鉴于该系统在大功率领域的诸多优点，自1989年首次提出绕组开路电机系统概念以来[6]，国内外研究人员已经逐渐开始了对该系统的探索与研究，但是受限于功率器件单管容量与开关频率发展水平的限制，直到2000年以后绕组开路电机系统的研究才得到人们的广泛关注。在控制方面，绕组开路电机系统所采用的控制策略主要有矢量控制、直接转矩控制，以及近年来备受瞩目的有限状态集模型预测控制。

（1）矢量控制。矢量控制目前是发展最为成熟、应用范围最广的一种闭环控制方法，无论是在中小功率领域还是在大功率传动领域均得到了广泛的研究与应用。同样，在绕组开路电机系统中，矢量控制策略也成功推广应用于不同的绕组开路电机系统中。在混合逆变器拓扑结构基础上，如图1-3c所示，绕组开路电机系统具有高直流母线电压利用率，配合矢量控制策略可拓展电机基速运行范围达1倍以上，降低了电机弱磁升速的难度，在新能源汽车领域具有广泛的应用前景[7]。而以绕组开路电机系统为基础，在电动汽车新型充电拓扑以及相应的矢量控制充电方法等方面的研究进展，进一步推动了绕组开路电机系统在新能源汽车领域的实用化[8]；另一方面，在单边控制型绕组开路电机系统拓扑基础上，如图1-2b2所示，文献[9]提出基于矢量控制的起动发电系统，在实现调压控制的同时简化了起动发电系统结构。浙江大学学者分别对共直流母线与隔离母线两种拓扑条件下单边控制型绕组开路电机发电系统在矢量控制框架下的单位功率因数优化控制、零序电流抑制及三次谐波注入等方法进行了系统的分析与研究，进一步提高了绕组开路电机系统的实用性[10-12]。分布式发电方面，韩国首尔大学薛承基教授团队在矢量控制基础上首次将绕组开路电机系统推广应用于并网发电领域，并详细阐述了功率流控制问题，同时结合绕组开路永磁电机在静止-起动-50Hz同步运行三种模式下的特点实现了高效并网控制[13]；美国工程院院士、威斯康星大学T.A.Lipo教授提出了双端半控变换器绕组开路永磁发电系统，并详细阐述了该系统的矢量控制实现方式[14]；而基于双端全控变换器的绕组开路永磁风力发电系统也获得了人们的广泛关注，其拓扑结构如图1-4所示，相比于传统发电系统，该拓扑不但能够实现多电平调制，还具有减小机侧变换器容量的优势[15]。另外在矢量控制基本框架下，基于矩阵变换器的绕组开路电机系统[16,17]、基于零序分量的无位置传感器控制[18]、多相绕组开路电机控制等研究成果同样获得了国内外研究人员的广泛关注[19,20]。

综上，基于矢量控制框架对绕组开路电机系统的研究比较全面和深入，无论是在理论研究还是在实际应用方面均取得了大量有价值的研究进展。然而，绕组开路电机系统所特有的零序变量抑制及多开关器件驱动等问题，使得适用于该系统的矢量控制方案变得尤为复杂。另外矢量控制双环结构在控制带宽、稳态性能与动态响应之间的相互约束关系，也会在一定程度上限制绕组开路电机系统优势的进一步发挥。因此，寻求控制结构简单、能够协同处理零序变量抑制并且具有高动态响应的控制方法，对于绕组开路电机系统而言显得尤为必要。

（2）直接转矩控制。为了全面提高绕组开路电机系统的动态响应，国内外研究人员已经将直接转矩控制推广应用于绕组开路电机系统当中[21-24]。对于绕组开路电机系统而言，因其具有多电平调制效果，使得能够满足电磁转矩及磁链变化趋势的电压矢量个数大大增加，矢量分布也更加合理，从而在一定程度上可以降低系统纹波幅值。然而，基于启发式电压矢量表的直接转矩控制并不能完全实现矢量的准确选择，磁链与转矩误差经常超出滞环所规定的限制范围，导致其稳态特性不理想[25，26]。因此，为了降低绕组开路电机直接转矩控制系统的转矩脉动水平，基于空间矢量调制的直接转矩控制方法被引入到绕组开路电机控制系统当中，通过准确的矢量合成可实现系统稳态性能的提升并具有固定开关频率特性[27，28]，然而，直接转矩控制所固有的简单控制结构与动态特性优势却因此受到了一定的限制。

（3）有限状态集模型预测控制。模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）具有非线性约束与多变量同时控制能力，并且结构简单易实现，近年来获得研究人员的广泛关注。在电机控制领域，相对于经典的矢量控制，模型预测控制避免了电流环及其PI参数整定，不存在带宽限制问题，同时不需要进行脉冲宽度调制即可直接发出开关驱动信号；另一方面，模型预测控制根据当前测量值对电机未来状态变量进行预测以实现最优电压矢量的选择，相比于直接转矩控制，所选电压矢量更为准确可靠[29]。因此，模型预测控制同时具备矢量控制的稳态特性优势和直接转矩控制的动态特性优势，并且可以将开关变换次数、零序变量抑制等问题作为约束条件或控制目标以优化电压矢量选择，具有一定的原理性优势。鉴于此，近两年国内外研究人员正在尝试将模型预测控制推广至绕组开路电机系统控制中。目前，针对绕组开路电机系统的模型预测控制方法大致可以概括为两类，一类是模型预测转矩控制（Model Predictive Torque Control，MPTC）；另一类为模型预测电流控制（Model Predictive Current Control，MPCC）。其中，基于MPTC的绕组开路电机系统具有简化的控制结构，且利用代价函数可实现转矩、磁链与零序电流的协调控制，相对于矢量控制与直接转矩控制具有更简单的控制结构和更优的动态特性，电机系统的控制框图如图1-5所示。图中包含绕组开路永磁同步电机（Open-Winding Permanent Magnet Synchronous Motor,OW-PMSM），在获取转矩、磁链和零序电流的预测值后，可以通过代价函数选择最优电压矢量。值得注意的是，由于转矩、磁链和零序电流属于不同量级，因此需要在代价函数中加入三个权重系数，然而权重系数的设计需要通过大量实验来确定[30-32]，这也降低了MPTC的实用性。为消除权重系数影响，文献[33]通过引入瞬时功率理论将预测量依次转换为实转矩、虚转矩与零转矩，从而有效避免了权重系数的设计。文献[34]将传统MPTC中基于转矩和磁链误差的代价函数替换为基于参考电压的代价函数来选择电压矢量，从而消除了权重系数的影响。此外，文献[35]将占空比控制应用于传统MPTC中，有效减小了转矩纹波和磁链纹波，从而改善了MPTC的控制效果。

另一方面，MPCC是将电流作为系统的唯一控制变量，通过构建量纲统一的代价函数与高采样频率设计可实现与矢量控制类似的稳态控制效果。与MPTC相对比而言，预测电流控制可避免复杂的权重设计问题，但其动态特性稍逊于预测转矩控制[36,37]。电机系统的控制框图如图1-6所示，由图可知，在获取电流的预测值后通过代价函数便可确定最优电压矢量。在传统MPCC中，每个控制周期仅有一个电压矢量作用，这种方法思路简单、可实现性强[38]。但是传统方法中参考电压和实际电压之间存在误差并会降低电机系统的运行效果。为提高MPCC的控制效果，学者们提出了多种改进方法。文献[39]和文献[40]通过优化死区时间提升了电机系统的工作性能；文献[41]和文献[42]提出了增加电压矢量个数的多矢量控制方法来减小电压误差从而改善电机控制效果。但是，矢量个数的增加必然会提升开关器件的动作次数，进而增加开关器件的损耗并降低电机系统的运行效率。此外，鉴于电机参数的变化会降低MPC的控制效果，绕组开路电机系统MPC的参数鲁棒性提升也是一个重要的研究方向。目前主要有以下几种方案：在线参数辨识、基于扰动观测器的补偿方法、无模型预测控制，以及无电机参数MPC等。文献[43]和文献[44]通过建立超局部模型和基于电流差的预测模型实现对电机的控制，可以避免MPC高度依赖电机参数的问题；文献[45]通过设计不含电阻和电感的电压误差模型并在线计算磁链参数，有效提升了MPC的参数鲁棒性；文献[46]和文献[47]利用线性扰动观测器和滑模观测器来观测参数变化带来的扰动，这对于提升MPC的控制性能具有明显效果。

综合以上控制策略研究现状可知，在经典矢量控制框架下对绕组开路电机系统的研究更加全面和深入，而模型预测控制同时具备矢量控制与直接转矩控制的优势并具有多目标处理能力，更适合应用于需要进行零序电流抑制的绕组开路电机系统，但无论是预测转矩控制还是预测电流控制，目前的研究仍处于起步阶段，还需要针对绕组开路电机的特点进行更深入的研究以充分发挥该系统的拓扑优势。