內(nèi)燃直線發(fā)電系統(tǒng)雙向功率變換器研究與設(shè)計(jì)

摘 要： 自由活塞式內(nèi)燃直線發(fā)電系統(tǒng)是一種新型集成混合動(dòng)力系統(tǒng)，在系統(tǒng)啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，功率流經(jīng)由BDPC在發(fā)電單元與儲(chǔ)能單元之間雙向流動(dòng)，且在兩個(gè)方向具有不平衡特性，使得Buck模式下設(shè)計(jì)電感體積大，成本高，開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力大。針對(duì)此問(wèn)題，提出BDPC在Boost模式時(shí)采用單相結(jié)構(gòu)，在Buck模式時(shí)采用交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而有效減小電感體積和成本，減小開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力，降低輸出電流紋波。此外，為滿足系統(tǒng)瞬態(tài)需求，在BDPC控制器電壓環(huán)采用模糊PI控制器，實(shí)現(xiàn)了更快的系統(tǒng)響應(yīng)，提高了系統(tǒng)魯棒性。

關(guān)鍵詞： 直線電機(jī)； 雙向功率變換器； 不平衡特性； 交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)； 模糊PI控制

中圖分類號(hào)： TN402?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）13?0128?05

Abstract： The free?piston internal combustion linear power generation system is a novel integrated hybrid power system. In the process of system start to stable operation， the power flows between power generation unit and energy storage unit bidirectionally through BDPC， and has the unbalanced characteristics in two directions， which makes the designed inductor in Buck mode have big volume and high cost， and the switching tube have large current stress. Aiming at this problem， it is proposed that the BDPC adopts the single phase structure in Boost mode， and adopts the staggered parallel structure in Buck mode， which can reduce the inductor volume and cost， current stress of the switching tube， and output current ripple. To meet the system transient demand， the fuzzy PI controller is used for the voltage loop of BDPC controller to realize the fast system response， and improve the system robustness.

Keywords： linear motor； bidirectional power converter； unbalanced characteristics； staggered parallel structure； fuzzy PI control

0 引 言

自由活塞內(nèi)燃直線發(fā)電機(jī)（Free?piston Liner Generator，F(xiàn)PLG）是一種新型混合動(dòng)力裝置。與傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)電機(jī)相比，F(xiàn)PLG取消了曲柄連桿機(jī)構(gòu)約束，具有更高的理論機(jī)電轉(zhuǎn)換效率；且壓縮比可調(diào)，能適應(yīng)多種燃料，降低排放，適用于油電混合動(dòng)力車，孤島發(fā)電等[1]。本文所述FPLG包括燃燒室，機(jī)械彈簧回復(fù)室，直線電機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)械彈簧及燃燒室活塞與直線電機(jī)動(dòng)子直接相連構(gòu)成運(yùn)動(dòng)部件，通過(guò)燃燒室周期性交替燃燒膨脹及機(jī)械彈簧回彈裝置共同作用，推動(dòng)直線電機(jī)動(dòng)子往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)工作于電動(dòng)機(jī)模式時(shí)，BDPC處于Boost模式；當(dāng)電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)模式時(shí)，BDPC處于Buck模式。由于系統(tǒng)功率流在兩個(gè)方向具有不平衡特性，導(dǎo)致雙向功率變換器在Buck模式下的電感電流明顯高于Boost模式下的電感電流，對(duì)應(yīng)Buck模式下設(shè)計(jì)電感的體積較大，開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力較大等，給雙向功率變換器的設(shè)計(jì)成本及可靠性帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

目前關(guān)于FPLG系統(tǒng)BDPC設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)很少，南京理工大學(xué)采用在BDPC處于大功率降壓模式時(shí)，屏蔽濾波電感，利用大容量的超級(jí)電容器組進(jìn)行濾波，減小變換器體積和成本，但該方法無(wú)法減小開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力，開(kāi)關(guān)管存在過(guò)度疲勞及發(fā)熱集中的問(wèn)題 [2]?；诖?，本文在功率變換器設(shè)計(jì)中，當(dāng)BDPC運(yùn)行于Buck模式時(shí)采用交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，有效地提高輸出電能質(zhì)量，減小流經(jīng)各相電感的電流值，從而減小了開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力，使電感得到充分利用。同時(shí)，考慮到系統(tǒng)頻繁啟停所需響應(yīng)時(shí)間短，電壓變化范圍寬，功率流方向需要快速平滑切換以及BDPC工作模式切換時(shí)存在非線性等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了模糊PI控制器提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。

1 工作原理

自由活塞式內(nèi)燃機(jī)直線發(fā)電系統(tǒng)由自由活塞內(nèi)燃直線發(fā)電機(jī)、三相整流/逆變單元、雙向功率變換器，儲(chǔ)能單元構(gòu)成，如圖2所示。在系統(tǒng)啟動(dòng)、停車、故障恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)下，直線電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)，由動(dòng)力源提供電能，經(jīng)功率變換器裝置給直線電機(jī)供電，從而驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，此時(shí)雙向DC/DC變換器處于Boost模式。在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，直線電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)，燃料在燃燒室內(nèi)燃燒膨脹做功，推動(dòng)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，直線電機(jī)輸出電能通過(guò)功率變換裝置后為蓄電池充電，此時(shí)雙向DC/DC變換器處于Buck模式。通過(guò)檢測(cè)直流母線及蓄電池側(cè)的電壓電流控制BDPC的升降壓工作模式。

在啟動(dòng)過(guò)程中，內(nèi)燃機(jī)不點(diǎn)火，僅直線電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)行，活塞運(yùn)行平均速度低，產(chǎn)生反電勢(shì)較小，電動(dòng)啟動(dòng)所需功率相對(duì)低；而在穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火燃燒放熱瞬間膨脹力非常大，活塞運(yùn)行速度較大，反電勢(shì)峰值較大，產(chǎn)生瞬時(shí)電功率峰值較大。造成啟動(dòng)階段與穩(wěn)定運(yùn)行階段功率流明顯不平衡，直線電機(jī)由啟動(dòng)至穩(wěn)定發(fā)電的電機(jī)端電壓波形及功率流波形如圖3所示。直線電機(jī)工作于電動(dòng)機(jī)模式時(shí)，為負(fù)值，需要?jiǎng)恿υ刺峁┢骄β蕿?.7 kW。當(dāng)直線電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)模式時(shí)，為正值，傳輸?shù)钠骄β蕿?5.9 kW。

2 BDPC拓?fù)湓O(shè)計(jì)及控制

現(xiàn)有混合動(dòng)力裝置研究文獻(xiàn)中，多選用非隔離型雙向半橋DC/DC變換器，其主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積小，具有使用器件少，成本低，無(wú)變壓器損耗，效率高等特點(diǎn)[3?6]。

2.1 BDPC拓?fù)湓O(shè)計(jì)

圖4中：為儲(chǔ)能電感；為蓄電池側(cè)電壓；為電池側(cè)濾波電容；為母線電壓；為母線電容?？刂崎_(kāi)關(guān)管S1的導(dǎo)通與關(guān)斷（D1作為S1關(guān)斷時(shí)續(xù)流二極管），此時(shí)BDPC工作于Boost模式；同理，控制開(kāi)關(guān)管S2的導(dǎo)通與關(guān)斷（D2作為S2關(guān)斷時(shí)續(xù)流二極管），此時(shí)BDPC工作于Buck模式。在設(shè)計(jì)電感時(shí)，需同時(shí)考慮兩種運(yùn)行模式下的電感值及最大飽和電流值[7]。為了滿足電感存儲(chǔ)能量的需要，應(yīng)選取最大電感值作為最小設(shè)計(jì)值，即：

系統(tǒng)參數(shù)： BDPC工作在電流連續(xù)模式，開(kāi)關(guān)頻率20 kHz，輸入電壓為350～400 V，輸出電壓為170～180 V，電感電流紋波系數(shù)根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算得到在Buck和Boost模式下的電感參數(shù)如表1所示。

按照該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電感在Buck模式時(shí)的最大飽和電流遠(yuǎn)大于Boost模式，會(huì)使電感體積增大，開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力增大，Boost模式時(shí)電感儲(chǔ)能量只利用了一部分，電感能量利用率低，導(dǎo)致雙向功率變換器效率較低。

2.2 交錯(cuò)并聯(lián)BDPC拓?fù)浼翱刂?/p>

基于以上分析，本文提出Boost模式時(shí)仍采用單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，Buck模式時(shí)采用兩相交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有減小流經(jīng)各相電感電流峰值及平均電流值，從而減小開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力，減小輸出端電流紋波，改善輸出電能質(zhì)量，減小電感體積的優(yōu)點(diǎn)。能夠使電感得到最大化利用，提高變換器功率密度，在一定程度上改善了功率變換器的效率 [9?11]。

在該結(jié)構(gòu)下，Buck模式時(shí)單相電感電流減小一半，電感值增大一倍。變換器在Boost模式及Buck模式時(shí)，單相電感電流峰值均在50 A左右，電感值在0.3 mH左右，開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力減小且差距不大。利用紋波互消原理，減小輸出電流紋波。

本文中占空比開(kāi)關(guān)管S2，S4 由PWM信號(hào)控制，其控制信號(hào)脈沖寬度相等，相位相差180°。為了避免交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)因電路參數(shù)不一致而導(dǎo)致兩相電感電流不均衡，采取控制策略框圖如圖6所示，電壓通過(guò)PI控制器后作為電流給定，即兩路電感電流之和，電流內(nèi)環(huán)分別控制兩路電感電流為總電流的一半，保證電流均衡。

3 模糊控制

由于FPLG工作過(guò)程的特殊性，直線電機(jī)動(dòng)子運(yùn)行頻率較快，速度較高，因而需要BDPC有較快的響應(yīng)和較好的控制性能。而B(niǎo)DPC本身由于電容電感的存在，變換器特性在系統(tǒng)啟動(dòng)、加速、減速等不同工況下呈嚴(yán)重的非線性。為了提高系統(tǒng)的性能，本文采用模糊PI控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)電壓環(huán)PI控制器，將電壓誤差與電壓誤差變化率作為控制器輸入，輸出為對(duì)參數(shù)的調(diào)整量。在常規(guī)PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊集合理論建立參數(shù)同偏差和偏差變化率之間模糊邏輯關(guān)系，并根據(jù)不同的和在線自調(diào)整參數(shù)的一種模糊控制器，以便結(jié)合模糊控制器響應(yīng)速度快，PI控制器穩(wěn)態(tài)誤差小的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)BDPC的快速響應(yīng)，電壓平穩(wěn)特性，提高電能的儲(chǔ)存效率[12?14]。

模糊PI控制器框圖如圖7所示。

3.1 輸入輸出變量選取

由圖10和圖11可知，在傳統(tǒng)PI控制器作用下，Boost變換器超調(diào)量為7%，電壓調(diào)整到穩(wěn)定值的時(shí)間為10 ms；Buck變換器超調(diào)量為8.3%，調(diào)整時(shí)間約1 ms。采用模糊PI控制器，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間明顯縮短，且無(wú)明顯超調(diào)。BDPC在兩種工作模式下，采用模糊PI控制器與采用傳統(tǒng)的PI控制器相比，能夠減少電壓調(diào)整時(shí)間，減小超調(diào)量，有效提高系統(tǒng)的魯棒性。

5 結(jié) 論

通過(guò)以上仿真得到以下結(jié)論：

Buck模式時(shí)采用交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，電感電流平均分配到2對(duì)橋臂上，可有效減小單相電感電流，從而減小開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力，有效解決開(kāi)關(guān)管及輸出電感等器件過(guò)于疲勞與發(fā)熱過(guò)于集中等問(wèn)題。

采用交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，各相承擔(dān)的電流明顯減小，因此可以采用更為小型的輸出電感。這也有利于降低電感設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，降低成本，可有效解決功率不平衡造成的電感設(shè)計(jì)值大，體積大的問(wèn)題。

采用交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，基于紋波互消原理可有效減小輸出端電流紋波，改善輸出電能質(zhì)量。且在Boost模式可交替選擇一相運(yùn)行，減少開(kāi)關(guān)管工作時(shí)間，延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)管使用壽命。

與傳統(tǒng)PI控制器相比，模糊PI控制可明顯解決系統(tǒng)非線性問(wèn)題，能夠提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的魯棒性。

注：本文通訊作者為張馳。

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