車載綜合電力系統(tǒng)發(fā)動機-發(fā)電機組控制策略概述

白 華, 劉春光, 廖自力, 陳路明

(陸軍裝甲兵學院，北京 100072)

電傳動車輛中驅動、牽引等多用電任務所需的大量電能，均由車載綜合電力系統(tǒng)提供.發(fā)動機-發(fā)電機組作為車載綜合電力系統(tǒng)的主動力源，是整個系統(tǒng)實現(xiàn)能量及時供應、分配的關鍵[1].因此，發(fā)動機-發(fā)電機組控制是電傳動技術研究中的關鍵環(huán)節(jié)，對提高電傳動車輛的性能、充分發(fā)揮電傳動優(yōu)勢具有十分重要的作用.

目前對發(fā)動機-發(fā)電機組控制策略和算法的研究較多也較為成熟，但大多都是獨立對單個部件的控制，對整個發(fā)動機-發(fā)電機組的協(xié)調控制策略與算法的研究較少，并且還不夠深入.

本研究結合一種新型車載綜合電力系統(tǒng)拓撲結構，簡要介紹了常用的發(fā)動機、發(fā)電機-整流器控制策略，提出發(fā)動機-發(fā)電機組協(xié)調控制將是下一步研究的重點和方向.

1 車載綜合電力系統(tǒng)發(fā)動機-發(fā)電機組控制策略簡介

電傳動車輛中，車載綜合電力系統(tǒng)通常可根據(jù)車輛用電需求及系統(tǒng)優(yōu)化目標進行靈活設計[2].通過分析對比，并結合西方發(fā)達國家電傳動技術的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[3-6]，采用以發(fā)動機-發(fā)電機組為主動力源，以動力電池組+雙向DC/DC與超級電容并聯(lián)的復合儲能系統(tǒng)為輔助動力源的串聯(lián)式車載綜合電力系統(tǒng)方案[7]，如圖1所示.

圖1 采用的串聯(lián)式車載綜合電力系統(tǒng)方案

圖中，發(fā)動機-發(fā)電機組工作原理為發(fā)動機拖動發(fā)電機產(chǎn)生三相交流電，經(jīng)可控整流器變換為直流電輸送到直流母線上，不僅要持續(xù)為整車負載提供電能，還需確保輔助動力源電能充足以滿足車輛其他用電任務的需要.因此，發(fā)動機-發(fā)電機組控制策略的選擇必須滿足使其具有良好的動態(tài)響應特性，并且其發(fā)出的功率能夠快速跟蹤實際功率需求，同時還要注重提高其工作效率.圖2為常用的發(fā)動機-發(fā)電機組控制策略.

圖2 常用的發(fā)動機-發(fā)電機組控制策略

2 發(fā)動機控制策略研究概況

目前，發(fā)動機的控制方式主要有定轉速功率跟隨控制、最佳燃油消耗曲線跟隨控制和基于功率需求的多點轉速切換控制3種.

2.1 定轉速功率跟隨控制

定轉速功率跟隨控制是將發(fā)動機固定在某一個特定轉速下，僅通過改變發(fā)動機扭矩來滿足給定的功率需求，來保證車輛正常發(fā)揮其機動性能.從控制方面看，由于發(fā)動機始終在某特定轉速下工作，功率變化過程相對平順，有利于電壓穩(wěn)定輸出，具有操作簡單、容易實現(xiàn)等優(yōu)點.

然而，由于行駛路況復雜，發(fā)動機-發(fā)電機組需實時跟蹤后功率鏈的功率需求，因此須工作在高轉速.負載較小時，需求功率小，而發(fā)動機依然工作在高轉速，輸出功率大，造成燃油經(jīng)濟性損失，且對其工作狀態(tài)的控制效果變差，整體工作效率降低；車輛突加減速時，為滿足功率需求，發(fā)動機扭矩將劇烈變化，導致發(fā)動機-發(fā)電機組超速，產(chǎn)生較大工作噪音，造成不利影響.

因此，該控制策略適用于工況簡單或對運行電壓和頻率有一定特殊要求的普通用電設備及內燃機車上.

2.2 最佳燃油消耗曲線跟隨控制

根據(jù)發(fā)動機萬有特性曲線，可得到發(fā)動機輸出某一功率時所對應的不同轉速下的耗油量大小.圖3為某型柴油發(fā)動機萬有特性曲線[8].

圖3 某型柴油發(fā)動機萬有特性曲線

由圖3可知，對于發(fā)動機輸出的每一個功率值，都存在一對應轉速，使其在該轉速下工作時單位輸出功率消耗燃油最少.將所有功率-轉速點連在一起即組成最佳燃油消耗曲線(如圖4所示).

圖4 發(fā)動機最佳燃油消耗曲線

由于最佳燃油消耗曲線是一條非線性曲線，將其作為表格寫入MATLAB/Simulink，以查表方式作為發(fā)動機優(yōu)化圖譜.根據(jù)目標輸出功率，通過查表獲得發(fā)動機相應最佳工作轉速，調節(jié)油門開度使其沿最佳燃油曲線工作.同時，在頂層功率分配中盡量使發(fā)動機工作在高效區(qū).

現(xiàn)實中，發(fā)動機動態(tài)響應較慢，且只能在一定的功率-速度范圍內工作，而瞬態(tài)功率需求變化快，因此不能滿足所有工況下始終跟蹤最佳燃油消耗曲線.同時頻繁變換發(fā)動機的轉速也會損失燃油經(jīng)濟性，工作效率降低.

該控制策略可使發(fā)動機很好地跟蹤功率需求，大大提升發(fā)動機燃油經(jīng)濟性，充分發(fā)揮電傳動優(yōu)勢，在電傳動車輛中應用較為廣泛.

2.3 基于功率需求的多點轉速切換控制

當電傳動車輛變速、爬坡及轉向等時，瞬時功率需求波動較大，需發(fā)動機不斷調節(jié)輸出功率，此時控制其沿最佳燃油曲線工作，則轉速不斷調整，這種方式難以達到最佳效果.為此設計發(fā)動機基于功率需求的多點轉速切換控制，即將發(fā)動機工作范圍劃分為幾個目標功率區(qū)域，如圖5所示.每個區(qū)域都參照最佳燃油曲線確定發(fā)動機在該區(qū)域內的目標轉速，根據(jù)功率需求在不同目標轉速間切換.同時，各功率區(qū)域間有一定重疊范圍，形成滯環(huán)帶，避免功率需求在轉速切換的臨界位置變化時，發(fā)動機轉速頻繁切換，提高了工作效率.當發(fā)動機在各轉速點運行或其之間切換時，為優(yōu)化其工作區(qū)域及確保調速性能，對發(fā)電機的目標扭矩進行限幅.

圖5 基于功率需求的多點轉速切換功率跟隨控制

該控制策略結合了前兩種控制策略的優(yōu)點，使發(fā)動機盡量沿最佳燃油曲線工作的同時，又能有效避免轉速頻繁切換.根據(jù)功率需求運行在相對經(jīng)濟的區(qū)域，減少由轉速擋動態(tài)變化造成的動態(tài)損耗，保證了發(fā)動機平穩(wěn)運行，大大提高了工作效率，在電傳動車輛發(fā)動機控制中同樣應用廣泛.

然而，理論上講，發(fā)動機目標功率區(qū)域數(shù)量的選擇以及各功率區(qū)域間重疊范圍的劃定具有一定隨意性.因此，根據(jù)功率需求合理設定發(fā)動機目標工作區(qū)域、設計控制算法具有重要意義.同時，也增加控制算法研究的難度和復雜性.

3 發(fā)電機-整流器控制策略研究概況

對發(fā)電機的控制是基于提升發(fā)電機的功率因數(shù)，從而減少電機側變換器的容量和成本，并提高發(fā)動機-發(fā)電機組運行的可靠性.實際上，控制發(fā)電機是通過對整流橋的控制實現(xiàn)的，由于永磁同步發(fā)電機采用永磁體勵磁，不能通過直接控制勵磁控制其運行狀態(tài)，只能通過PWM整流器控制d軸和q軸電流，來實現(xiàn)對發(fā)電機的弱磁或增磁控制，從而控制PWM整流器網(wǎng)側的運行狀態(tài).

常用的發(fā)電機-整流器控制方法包括最大扭矩/電流比控制和電壓空間矢量控制等.

3.1 最大扭矩/電流比控制

最大扭矩/電流控制是指在一定的扭矩條件下，通過合理配置id、iq以獲得最小的定子電流矢量值，即單位安培電流產(chǎn)生的電磁扭矩最大.

扭矩方程為

Te=pn[ψfiq+(Ld-Lq)idiq].

(1)

采用最大扭矩/電流比控制時，電流矢量應滿足

(2)

(3)

為便于分析，將扭矩方程用標么值表示得

Te=iqn(1-idn).

(4)

式中:Te為扭矩標么值；idn為直軸電流標么值；iqn為交軸電流標么值.

由此可得交、直軸電流分量與電磁扭矩的關系為

(5)

由式(5)可得到idn、iqn與Te的關系曲線，如圖6所示.

圖6 最大扭矩/電流關系曲線

最大扭矩/電流比控制，提高了扭矩響應速度，減小了電機銅耗與變換器損耗，提升了系統(tǒng)效率.但其輸出電壓、電流的諧波較大，輸出電壓偏低，且開關頻率較高時，整流電路損耗加大、效率降低.

3.2 電壓空間矢量控制

隨著全控型功率器件的發(fā)展，PWM技術被廣泛用于發(fā)電機控制之中，目前永磁同步發(fā)電機調速系統(tǒng)大多采用電壓空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術，其原理是根據(jù)整流器電壓空間矢量的變換來控制整流橋各功率開關的通斷，從而控制整流器輸出電流的相位和大小.圖7為常用的三相電壓型PWM整流電路拓撲圖[9]，其由網(wǎng)側回路、功率開關橋路和直流回路組成.

圖7 三相電壓型PWM整流電路拓撲圖

圖中g1～g6為加在功率器件上的驅動信號，ea、eb、ec分別為交流側三相電壓，udc為直流側電壓.

穩(wěn)態(tài)時兩相旋轉坐標系下d、q分量都是直流分量，因此在選取兩相旋轉坐標系dq的初始參考軸方向時，通常選擇d軸與發(fā)電機輸出電動勢空間矢量重合，則d軸表示有功分量參考軸，q軸表示無功分量參考軸，進而實現(xiàn)了獨立控制PWM整流器網(wǎng)側的有功功率和無功功率.

圖7的PWM整流電路中有6個功率開關，穩(wěn)態(tài)工作時，各相對應的上下橋臂有且僅有一個導通，因此三相電壓型PWM整流電路共有8種開關狀態(tài)組合，分別為(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)、(111)，用V0～V7分別表示對應的電壓空間矢量.由于V0和V7均為零矢量，因此僅有對稱均勻分布在復平面上的非零矢量V1～V6為有效矢量，如圖8所示.

圖8 電壓空間矢量圖

兩相旋轉坐標系中的任一電壓空間矢量均可由8個矢量V0～V7中的某些矢量合成.穩(wěn)態(tài)運行時，給定的電壓空間矢量在復平面上以某一速度旋轉，其端點軌跡近似為六邊形外接圓.PWM開關頻率越高，六邊形外接圓軌跡就越接近圓形，合成的矢量就越逼近給定的電壓矢量，從而使網(wǎng)側輸入電流等效為正弦波，實現(xiàn)了控制電流的目的[10].

電壓空間矢量控制技術可同時控制交流側電流和直流側電壓，實現(xiàn)了抑制交流側輸入電流諧波分量、穩(wěn)定直流側輸出電壓，降低了功率開關通態(tài)和開關損耗，加快了動態(tài)響應速度，提升了網(wǎng)側功率因數(shù)及運行效率，實現(xiàn)了能量的雙向流動等.

4 結束語

本研究簡要分析了幾種常用的發(fā)動機-發(fā)電機組控制策略，不難發(fā)現(xiàn)，這些控制策略大都從降低損耗、提高經(jīng)濟性、改善技術指標等方面進行研究，很少考慮行駛環(huán)境對車輛的影響.這是由于大多數(shù)車輛行駛于較為平緩的普通路況環(huán)境，不需要考慮發(fā)動機、發(fā)電機之間協(xié)調的問題.

而電傳動裝甲車輛通常行駛環(huán)境惡劣、路況復雜多變.在原理樣車的復雜路況試驗中發(fā)現(xiàn)，車輛在急加/減速和負載突變的過程中，發(fā)動機-發(fā)電機組出現(xiàn)了運行不穩(wěn)定、甚至發(fā)動機熄火的問題.這是由于為保證直流母線電壓的穩(wěn)定，對發(fā)電機實行穩(wěn)壓控制，由于發(fā)電機動態(tài)響應過程較快，響應時間約為毫秒級，而發(fā)動機動態(tài)響應過程較慢，響應時間約為秒級，發(fā)動機與發(fā)電機的響應過程不匹配，因此發(fā)動機無法在短時間內通過調節(jié)轉速以快速響應發(fā)電機的扭矩需求，導致發(fā)動機-發(fā)電機組未能達到協(xié)調一致.

為此，深入分析研究發(fā)動機-發(fā)電機組的協(xié)調控制策略與算法，提高發(fā)動機-發(fā)電機組的動態(tài)響應速度，保證發(fā)動機-發(fā)電機組的功率輸出能力，對提高車載綜合電力系統(tǒng)供電能力與品質，提升電傳動車輛運行穩(wěn)定性，實現(xiàn)整車能量優(yōu)化管理控制，具有重要的理論指導意義和工程應用價值.