共直流母线开绕组电机的移相解耦控制策略
武汉加油
风雨同行 共克时艰
传统的共直流母线开绕组电机驱动系统的调制策略主要有三种：交替子六边形脉冲宽度调制（PWM）、中间六边形PWM和解耦SVPWM，但单一调制策略下无法兼顾电压输出范围和零序电压。江苏大学电气信息工程学院的研究人员袁渊、朱孝勇、左月飞、卜霄霄、鲁庆，在2019年第22期《电工技术学报》上撰文，提出一种移相解耦调制策略，该策略是在解耦SVPWM的基础上将两个逆变器的电压矢量夹角也作为一个控制量，通过调节该夹角可以使驱动系统既有较宽的输出电压范围，又能在全输出电压范围内具有较小的零序电压。
电动汽车的三大核心部件为电池、电机和电控。其中，电机及其驱动控制系统是电动汽车电机驱动系统的核心，对电动汽车的高性能可靠运行起着至关重要的作用。经过多年发展，传统的电机理论与驱动控制技术已逐渐成熟，但其性能也越来越无法满足日益提高的汽车工业飞速发展的需求，于是新型电机驱动系统拓扑结构和控制策略陆续出现。
开绕组电机（Open Winding Electric Machine, OWEM）是近年来受到广泛研究的新型电机系统，它是在传统单逆变器驱动电机系统的基础上，不改变原电机的本体电磁设计与机械结构，仅将电机的绕组中性点打开并在绕组两端分别接一个单逆变器而成。
根据供电模式的不同，驱动系统的拓扑结构可分为隔离直流母线双逆变器拓扑和共直流母线双逆变器拓扑。采用共直流母线双逆变器开绕组电机拓扑结构，仅需一个直流电源，更有利于实现在电动汽车电池容量受限的前提下提高输出功率，拓宽电机转速运行范围，其在电机驱动系统中的应用受到广泛关注。但由于存在零序电流回路，系统中的零序电压、反电动势谐波等会导致零序电流的存在，从而使得电机损耗增大、系统性能下降。
为了提高OWEM驱动系统的输出电压来拓宽调速范围，有学者通过在SPWM波上注入3次谐波来提高电压利用率。有学者提出交替子六边形中心PWM（Alternate Sub-Hexagonal Center PWM, ASHC-PWM）方法，通过双逆变器交替钳位来减小开关损耗。有学者采用解耦SVPWM策略，简化了调制方法。
上述方法尽管能够拓宽电机调速范围，但在全速范围存在零序电压较大的问题。
为此，有学者通过零矢量作用时间重新分配的方法使一个周期内的零序电压平均值为零，达到抑制零序电压的目的。
有学者提出中间六边形调制，通过使用不产生零序电压的矢量进行调制，可以达到瞬时零序电压为零的效果。
有学者分析了解耦SVPWM下零矢量的放置位置与零序电压的关系，通过调整零矢量的位置消除了调制波中的3次谐波从而消除了零序电压，但调制方法较为复杂。
有学者提出了空间电压矢量60°解耦的调制方式消除开绕组电机系统中的零序电压。
上述方法消除了零序电压，但也降低了电压利用率。
综上可知，目前共直流母线双逆变器的调制方式主要有三种：ASHC-PWM、中间六边形PWM和解耦调制方式。ASHC-PWM可以提供较高的输出电压但存在零序电压的问题，适用于高速运行场合；中间六边形PWM输出电压略低，但不存在零序电压，适合于中低速运行场合；解耦调制方式既可以实现无零序电压也可以提供较高的输出电压，但需要采用不同的调制策略。因此，如何在一种调制方式下，既能实现较高的输出电压范围，又可降低全速范围内的零序电压，成为一个难题。
为此，江苏大学电气信息工程学院的研究人员提出了一种移相解耦调制策略，在解耦调制的基础上将两个逆变器电压矢量间的相位角也作为一个控制量，通过改变相位角保证驱动系统在低速时不产生零序电压，并能够输出较高的电压以拓宽电机的调速范围，即可以采用统一调制方式来同时获得宽调速范围和低零序电压，简化了调制方法。
图11 实验平台
研究者将两个逆变器的电压矢量夹角定义为解耦角，首先分析不同解耦角下的输出电压中基波含量和总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion, THD）；然后对比不同调制方式下的调制波，而后采用移相控制策略来实现输出电压的平滑变化。在线性调制区且不考虑逆变器非线性的情况下，获得如下结论：
1）中间范围调制下无零序电压，但调制系数只能达到0.866。
2）传统解耦调制下调制系数可达1，但THD较大，达到20.8%。
3）最大范围调制下调制系数也可达1，THD比传统解耦调制下的还要大，尤其在低输出电压范围下能达到50%，但开关损耗相比于另两种典型调制方式下的可以减小一半。
4）移相解耦调制通过调节移相角可以采用统一的调制方式来实现不同的调制范围。当解耦角为120°时，其本质与中间范围调制一致，使系统在中低速范围内具有和中间六边形调制相同的零序电压。当电机需要扩速运行时，通过增大解耦角来拓宽调速范围，这样可以尽量减小零序电压。因此在保证调制系数达到1的前提下，使系统在全输出电压范围下具有最小的THD。