风力发电以其清洁无污染、建设周期短、运营成本低等优点，已成为发展新能源和可再生能源的重点领域。
其中变速恒频风力发电系统因具有并网冲击小、运行稳定等优点受到了广泛关注并得到迅速发展，逐步替代了传统恒速恒频风力发电系统[1-3]。
直驱式永磁同步风力发电系统由于不需要变速齿轮箱且不存在励磁绕组损耗，其可靠性和系统效率较高，目前已成为变速恒频风力发电系统的主流方案之一[4]。
直驱式永磁同步风力发电系统通过控制风力机组转速来捕获最大风能，目前最大风能跟踪方法主要有叶尖速比法、扰动观察法和最佳特性曲线法[5]。
叶尖速比法响应速度快但依赖风速计测量精度，且输出功率稳定性欠佳；扰动观察法关键在于步长的选择，存在难以同时兼顾风电系统对响应速度和输出功率稳定性要求等缺陷；最佳特性曲线法通过控制风力机组转速满足最佳功率曲线或最佳转矩曲线来实现最大风能跟踪，具有免风速测量、算法简单、功率输出波动小等优点，在中小型风力机组上具有较高的风能转化率。
在目前的直驱式风力发电系统应用中，永磁同步风力发电机的高性能控制策略主要包括矢量控制和直接转矩控制（Direct Torque Control, DTC）[6]。
直接转矩控制省去了矢量控制中复杂的坐标变换，可以直接根据发电机转速来估算最优转矩给定，具有快速的转矩和转速响应性能，与最佳特性曲线法结合后能准确地跟踪系统最大功率点，有利于进一步提高系统整体的能量利用效率[7-9]。
传统开关表式的直接转矩控制由于采用滞环控制器，转速和负载变化导致开关频率不固定，母线电压波动或定子阻值变化会积累误差等原因，其转矩和磁链脉动问题比较明显[10]。
国内外学者对此问题进行了深入研究，提出了许多改进的直接转矩控制算法，如基于转矩角的直接转矩控制[11]、空间矢量脉宽调制直接转矩控制[12]、无差拍直接转矩控制[13]和模型预测直接转矩控制（Model Predictive Direct Torque Control, MPDTC）[14,15]。
模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）具有原理简单、多变量控制和便于处理非线性约束等优点，能弥补现代控制理论在解决复杂对象控制问题时的不足，在与交流电机直接转矩控制方法结合后能够起到改善电机转矩脉动的作用。
文献[16]给出一种新型的模型预测直接转矩控制方法，该方法是在逆变器驱动异步电机的基础上建立了离散时间内部预测模型，以转矩和磁链的偏差二次方和作为性能评估函数，在保证直接转矩控制快速响应特性的同时有效地降低了转矩和磁链脉动。
文献[17]提出一种占空比优化的永磁同步电机模型预测直接转矩控制，在一个采样周期内对逆变器施加零矢量和非零矢量，依据性能评估函数值计算每个采样周期内零矢量和非零矢量的作用时间，有效减小了转矩脉动和磁链脉动。
对于直驱式永磁同步风力发电系统而言，除通过提高转矩和转速快速响应以及减小转矩与磁链波动来保障运行效率和可靠性外，发电机本身的损耗也是不容忽视的问题。
文献[18]提出一种考虑损耗转矩的最佳电流给定最大风能跟踪控制策略，通过计算系统损耗转矩，给定永磁同步发电机最佳电流值，提高了风能捕获效率，但损耗转矩模型需要通过实验测量，可能引入人为误差干扰。
文献[19]提出一种内埋式永磁同步电机效率优化控制策略，在转子磁链定向矢量控制基础上实现最小损耗控制，并引入前馈补偿来解决该算法动态响应慢的问题，提高了电机的效率，但控制效果会受到电机参数准确性的影响，且没有深入考虑减小转矩脉动问题。
文献[20]将模型预测直接转矩控制应用在永磁同步电机上，提出多目标控制且权重系数可调的性能评估函数，在一定程度上降低了变频器开关损耗，但没有给出量化开关损耗的方法，无法起到稳定提升系统运行效率的效果。
如何在降低转矩脉动的基础上实现系统损耗实时最小控制，仍是直驱式风力发电系统整体运行效率提高所面临的问题。
北京科技大学工程技术研究院、北京科技大学自动化学院、清华大学机械工程系的苗磊、张勇军、童朝南、肖雄、汪伟，在2018年第15期《电工技术学报》上撰文，在采用最佳特性曲线法实现永磁同步风力发电机最大风能跟踪控制的基础上，为进一步提高直驱式风力发电系统运行效率和控制精度，提出一种永磁同步风力发电机效率优化模型预测直接转矩控制策略。
首先，推导了风力机转矩与发电机转速之间的关系，分析了最佳特性曲线法在模型预测直接转矩控制的基础上实现最大风能跟踪控制的原理。
其次，构建了永磁同步发电机损耗的数学模型，在分析了定子有功、无功电流与发电机电磁转矩和定子磁链的关系后，提出通过预测定子有功电流的方法来预测发电机电磁转矩。
进而，通过分析发电机总损耗与定子有功电流的关系，设计了一种效率优化性能评估函数，用定子有功电流项替代传统模型预测控制性能评估函数中的定子磁链项，使发电机运行在最小损耗状态下。
最后，在设计的仿真和实验系统平台上对该策略进行了分析验证。
作者最后认为：1）效率优化的模型预测直接转矩控制通过预测定子有功电流得到发电机电磁转矩预测值，提高了转矩预测的准确性，有效降低了系统转矩脉动，有利于提高风力机使用寿命。
2）基于损耗最小的原则设计的效率最优化性能评估函数能够选择出合适的开关矢量，在提高系统响应速度的同时实现了系统实时运行效率优化。
图11 实验平台实物图
