基于PI 控制的內(nèi)燃動車組柴油機恒功率控制技術(shù)

周 楊，董宇康

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

在低運量的情況下，內(nèi)燃動車組的鐵路線投資成本較電氣化鐵路的大幅降低，車輛造價和運營成本亦較交流傳動動車組的低，且柴油動力車不會因為輸電系統(tǒng)的問題而造成系統(tǒng)性癱瘓，因此在嚴寒多雪地區(qū)獲得較廣泛采用。

然而，當(dāng)內(nèi)燃動車組頻繁加速和減速時，柴油機不但會增加額外的能量消耗，而且當(dāng)柴油機在非恒功率輸出時，其燃料燃燒可能不充分，導(dǎo)致燃料效率降低；同時，可能會產(chǎn)生較大的機械應(yīng)力，導(dǎo)致機械部件的磨耗和損壞。因此，保持柴油機的恒功率輸出可降低其能源消耗，從而提高內(nèi)燃動車組的運行經(jīng)濟性。

為保障柴油機功率輸出平衡，需要進行負載功率的動態(tài)匹配調(diào)節(jié)。內(nèi)燃動車組牽引傳動系統(tǒng)作為柴油機負載，通常采用交-直-交主電路拓撲［1-2］，其通過對電機牽引功率、車載輔助設(shè)備功率及冷卻系統(tǒng)功率的動態(tài)調(diào)整和精確控制，可實現(xiàn)對內(nèi)燃動車組柴油發(fā)電機組功率輸出的動態(tài)跟蹤及動車組性能的穩(wěn)定發(fā)揮。文獻［3］對柴油機的恒功率控制進行了研究，給出了變量泵恒功率控制原理圖和恒功率控制特性曲線，通過變量泵的靈敏調(diào)節(jié)使柴油機的功率得到充分利用。文獻［4］對負載輸出柴油機與恒功率脈沖負載系統(tǒng)進行了仿真建模分析，研究了負載輸出參數(shù)對柴油機功率的影響。文獻［5］提出一種柴油機輸出功率控制方法，其通過預(yù)設(shè)的參數(shù)計算目標(biāo)輸出功率，并基于當(dāng)前功率來調(diào)節(jié)柴油機輸出功率以達到目標(biāo)功率。但上述相關(guān)研究均是針對柴油機輸出的直接調(diào)節(jié)或僅對系統(tǒng)進行建模功能仿真，而柴油機輸出控制表征的是電源供電能力，需與負載進行匹配性控制以達到供需平衡才能保障系統(tǒng)的可靠運行。

負載側(cè)的功率需求決定了柴油機的輸出功率特性，負載恒功率控制能更直觀體現(xiàn)內(nèi)燃動車組牽引系統(tǒng)功率分配原理。本文根據(jù)內(nèi)燃動車組牽引傳動系統(tǒng)的電路原理，對其功率分配及控制方法進行闡述，并基于內(nèi)燃柴油發(fā)電機組恒功率運行的電源模式，提出了比例-積分控制方法，實現(xiàn)負載側(cè)牽引系統(tǒng)功率穩(wěn)定跟隨柴油發(fā)電機組的輸出功率目標(biāo)值，通過負載側(cè)恒功率運行保障發(fā)電機組的恒功率穩(wěn)定輸出，并進行了測試驗證。

1 內(nèi)燃動車組牽引系統(tǒng)工作原理及其恒功率控制過程

內(nèi)燃動車組通常采用動力分散配置，即多臺柴油發(fā)電機分別驅(qū)動多套牽引傳動系統(tǒng)。為提高故障冗余性，車載輔助負載通過列車三相母線進行集中供電，輔助逆變器被集成在牽引傳動系統(tǒng)中。柴油機帶動發(fā)電機發(fā)電后，其功率中大部分提供給牽引電機輸出牽引功率，驅(qū)動列車以設(shè)計運營速度運行；另一部分則提供給車載輔助設(shè)備，如冷卻風(fēng)扇、壓縮機、生活用電裝置及空調(diào)等，以保障大功率設(shè)備的冷卻及乘客的舒適乘車體驗。由于輔助設(shè)備所需能量是根據(jù)負載情況無規(guī)律地動態(tài)變化的，通常需要通過動態(tài)調(diào)節(jié)牽引功率來實現(xiàn)柴油機的恒功率輸出［6-7］。

內(nèi)燃動車組牽引系統(tǒng)框圖見圖1，其主要工作原理為：在牽引工況下，柴油機拖動主發(fā)電機恒功率輸出三相交流電源，通過三相二極管整流器輸出直流電壓對中間直流回路的支撐電容充電；中間電壓經(jīng)過牽引逆變器轉(zhuǎn)換為頻率和電壓可調(diào)的三相電源供給牽引電機，實現(xiàn)列車運行［8］；同時，輔助變流器將來自牽引系統(tǒng)中間直流回路的電壓變換為動車組輔助系統(tǒng)使用的三相交流電。整列車多個輔助變流器輸出的三相交流電采用母線并網(wǎng)供電。

圖1 內(nèi)燃動車組整車牽引系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of traction system for DMU

為了保證柴油機以最經(jīng)濟的方式高效穩(wěn)定運行在恒功率區(qū)間，在進行牽引系統(tǒng)設(shè)計時，會綜合考慮柴油機每個手柄擋位下的轉(zhuǎn)速和功率，以及牽引系統(tǒng)效率，并考慮動車組輔助功率的最小工作需求，以確定各擋位下牽引電機的最大輸出功率。即設(shè)計的負載最大功率大于柴油機最大功率，通過牽引功率動態(tài)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)柴油機總負載滿足柴油機恒功率輸出要求，從而實現(xiàn)柴油機恒功率運行目標(biāo)［9-11］。

在全制式調(diào)速器控制下，當(dāng)擋位確定時，如果施加于柴油機的負載功率始終小于柴油機最大供油時的功率，則柴油機依靠全制調(diào)速器自動調(diào)節(jié)供油量，使柴油機功率符合負載功率需求，柴油機轉(zhuǎn)速維持穩(wěn)定；但當(dāng)負載功率達到和超過最大供油量的功率時，柴油機將無法維持需求功率輸出，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下行，不能正常工作。為此，為保證柴油機恒功率穩(wěn)定運行及異常工況下的快速恢復(fù)，控制系統(tǒng)需根據(jù)柴油機負載率實時進行功率閉環(huán)控制，以避免柴油機負載率過高導(dǎo)致的工作異常。

基于柴油機負載率和效率曲線考慮，內(nèi)燃動車組牽引系統(tǒng)通常會根據(jù)手柄擋位來確定柴油機初始目標(biāo)功率，同時根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速對柴油發(fā)電機組初始目標(biāo)功率PICE()t進行限幅，以避免擋位切換過程中目標(biāo)功率超限。

式中：gL——手柄擋位；nICE——柴油機轉(zhuǎn)速；P(gL)——手柄擋位與柴油發(fā)電機組初始目標(biāo)功率間的映射關(guān)系；P(nICE)——柴油機轉(zhuǎn)速與柴油發(fā)電機組實時目標(biāo)功率間的函數(shù)關(guān)系，擬合曲線接近線性。

柴油發(fā)電機組功率與牽引擋位、柴油發(fā)電機組功率與柴油機轉(zhuǎn)速間的典型函數(shù)關(guān)系如圖2 所示。從圖中可見，手柄擋位與柴油發(fā)電機組的目標(biāo)功率和額定功率均呈正相關(guān)關(guān)系。

圖2 柴油機功率與牽引擋位及柴油機轉(zhuǎn)速的關(guān)系示意圖Fig.2 Relationship diagrams of diesel power with traction gear and diesel speed

根據(jù)牽引系統(tǒng)電路原理可知，柴油機實時負載功率可通過中間直流回路的中間直流電壓與中間直流電流相乘計算得到，其分為牽引電機功率和輔助負載功率。

式中：PRT——發(fā)動機實時負載功率；Ud——中間直流電壓；Id——中間直流電流；PMT——牽引電機功率；PAPU——輔助負載功率。

輔助負載功率受動車組設(shè)備運行需求影響而小幅波動，無法進行主動功率調(diào)節(jié)。因此，在進行柴油發(fā)電機組恒功率控制中，通常對牽引電機功率進行閉環(huán)調(diào)節(jié)。

內(nèi)燃動車組牽引電機控制采用直接轉(zhuǎn)矩控制，隨著電機轉(zhuǎn)速的提高，電機功率同步提升，通過控制轉(zhuǎn)矩可調(diào)節(jié)電機輸出功率。而在工程應(yīng)用中，綜合柴油機目標(biāo)功率及牽引電機本身的最大設(shè)計功率限制，會預(yù)設(shè)牽引電機特性包絡(luò)線作為電機輸出轉(zhuǎn)矩的上限，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，直接轉(zhuǎn)矩限制等價于功率限制。通過調(diào)節(jié)牽引電機功率限值，可實現(xiàn)內(nèi)燃柴油機恒功率輸出。

2 PI控制算法

在動車組運行過程中，司機操作引入的牽引擋位切換和牽引/制動工況轉(zhuǎn)換、柴油機調(diào)速過程的速度波動、輔助負載跟隨環(huán)境變化的自動調(diào)節(jié)、故障情況下的冗余切換等因素都會引入電源端或負載端的功率變化，需及時調(diào)整牽引電機輸出功率以接近柴油機恒功率值，并確保調(diào)節(jié)過程中盡可能少地出現(xiàn)超調(diào)，以防止柴油機過載引起電源端功率波動疊加負載端功率波動甚至柴油機停機。

為實現(xiàn)內(nèi)燃動車組柴油機組恒功率輸出的穩(wěn)定性及可靠性，本文基于實時負載功率的不規(guī)則擾動特性，提出了一種PI控制算法，其既可有效約束控制量輸出突變及抑制超調(diào)，又能提升控制的穩(wěn)定性及可靠性。PI控制原理如圖3所示，其在恒功率PI控制的基礎(chǔ)上，通過牽引電機功率的前饋控制抑制超調(diào)，同時設(shè)置負載功率波動抑制環(huán)節(jié)及擋位變化的主動干預(yù)控制，實現(xiàn)輸出功率的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

2.1 負載功率波動抑制

在牽引系統(tǒng)實時負載功率的擾動及變化過程中，為了抑制誤差波動及恒功率控制器調(diào)制過快可能引起的柴油機運轉(zhuǎn)不順暢，在PI控制算法中設(shè)計了控制誤差跟隨限幅函數(shù)：

式中：err(k)——恒功率控制誤差；PICE——柴油發(fā)電機組目標(biāo)功率；PRT——負載側(cè)實時功率；ηp——根據(jù)柴油發(fā)電機組目標(biāo)功率設(shè)定的正誤差限值；ηN——根據(jù)柴油發(fā)電機組目標(biāo)功率設(shè)定的負誤差限值。

通過誤差限幅的動態(tài)調(diào)整，限幅PI 輸出，以實現(xiàn)控制誤差波動的約束及控制器的穩(wěn)定輸出。當(dāng)負載實際功率接近或大于柴油發(fā)電機組目標(biāo)功率時，為避免功率超調(diào)、抑制功率波動幅度，ηp設(shè)置為最小值。

2.2 擋位變化主動干預(yù)

柴油機提速時特性較軟的原因包括燃油噴射系統(tǒng)的限制、供油系統(tǒng)的供油量限制、進氣系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)對進氣壓力和溫度變化的敏感性以及燃燒室和氣缸的磨損等。因此，在柴油機提速時，需注意避免負載增加過快的情況出現(xiàn)，以免造成柴油機憋轉(zhuǎn)速、輸出功率提不上去的問題。如當(dāng)手柄擋位上升時，在一定時間內(nèi)，抑制PI 輸出功率的增加步長，以抑制牽引功率增長，待柴油機提速后再提升牽引功率。

2.3 牽引電機功率實時監(jiān)測

設(shè)電機功率系數(shù)為電機實時功率與設(shè)計額定功率的比值。PI控制算法通過功率系數(shù)動態(tài)捕捉及前饋控制，可實現(xiàn)負載功率與柴油機目標(biāo)功率的可靠跟隨，其過程如下：

式中：ηICE——柴油發(fā)電機組目標(biāo)功率預(yù)設(shè)參數(shù)，0.9 ≤ηICE≤1；ηs——PI 控制前饋切換參數(shù)；——PI 牽引力調(diào)節(jié)值；nMT——牽引電機轉(zhuǎn)速；PMT——手柄擋位對應(yīng)的設(shè)計額定功率。

PI 控制算法的約束條件為：當(dāng)發(fā)動機實時負載功率大于柴油發(fā)電機組目標(biāo)功率預(yù)設(shè)值時，在一定時間內(nèi)將PI 控制輸出限幅為當(dāng)前電機功率系數(shù)動態(tài)切換值，控制實時負載功率在柴油機目標(biāo)功率預(yù)設(shè)值附近達到穩(wěn)態(tài)；當(dāng)實時負載功率大于預(yù)設(shè)值后，再向上抬升直至柴油發(fā)電機組功率目標(biāo)值，以實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)及抑制超調(diào)。

2.4 恒功率PI控制

在內(nèi)燃動車組牽引系統(tǒng)實際設(shè)計中，不同擋位的牽引電機特性包絡(luò)線不同，一般擋位越高，牽引特性恒功率值越高，如圖4所示。而不同速度、不同擋位下，同樣的牽引力變化導(dǎo)致的功率變化差異很大，參數(shù)難以整定。為實現(xiàn)不同擋位恒功率控制效果的一致性，控制器輸出先直接進行功率調(diào)節(jié)，再根據(jù)電機機械功率與牽引力和電機速度的正相關(guān)關(guān)系，間接實現(xiàn)牽引力控制（而非直接進行牽引力控制）。

圖4 牽引電機擋位-功率曲線示意圖Fig.4 Traction motor gear -power curves

因柴油機為恒功率輸出模式，為匹配柴油機因轉(zhuǎn)速、擋位變化的功率調(diào)節(jié)能力，對控制器輸出設(shè)定功率進行步長限制，并根據(jù)柴油機實際特性調(diào)整步長參數(shù)，如式（5）所示。

式中：ΔfMT——PI 功率調(diào)節(jié)系數(shù)；kP——PI 比例系數(shù)；kI——PI 積分系數(shù)；——PI 功率調(diào)節(jié)系數(shù)限幅值；——PI 功率調(diào)節(jié)值；Pmax——設(shè)計額定功率。

3 測試驗證

3.1 仿真測試驗證

選取我國出口阿聯(lián)酋內(nèi)燃動車組典型電路拓撲搭建dSPACE 半實物仿真測試系統(tǒng)，包括被測牽引控制系統(tǒng)（即控制機箱，為集成PI 控制算法軟件工作環(huán)境）、牽引系統(tǒng)實時仿真及測試系統(tǒng)和上位機工作站，如圖5所示。被測控制機箱作為控制算法軟件載體，仿真系統(tǒng)用于運行牽引系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型（包括主電路模型、電機模型及通信模型等）、模擬牽引系統(tǒng)運行環(huán)境，上位機用于模擬司控臺。圖6為模擬牽引擋位逐級提升、逐級下降、滿擋位切換時的運行過程記錄，圖7為模擬滿擋位加速運行時的運行過程記錄。由圖6 和圖7 可見，內(nèi)燃發(fā)電機組目標(biāo)功率隨牽引擋位變化而變化，牽引系統(tǒng)實時負載功率跟隨目標(biāo)功率抬升或下降，并在一定時間后穩(wěn)定在目標(biāo)功率，穩(wěn)態(tài)偏差在±2%以內(nèi)，驗證了本文所提出的算法可實現(xiàn)不同擋位的恒功率跟隨及切換控制，且全速加速運行過程中，恒功率控制穩(wěn)定。

圖5 內(nèi)燃動車組牽引系統(tǒng)仿真測試系統(tǒng)圖Fig.5 Simulation test system for the traction system of DMU

圖6 牽引擋位逐級提升、逐級下降和滿擋切換控制仿真效果圖Fig.6 Simulation effect of traction gear gradually increasing,gradually decreasing,and full gear switching control

圖7 滿擋位運行加速控制仿真效果圖Fig.7 Simulation effect of acceleration control for full-gear operation

3.2 現(xiàn)場試驗驗證

內(nèi)燃動車組整車型式試驗通常包括全速范圍的牽引功能試驗和各牽引擋位切換試驗，可對牽引系統(tǒng)柴油機恒功率控制效果進行試驗驗證。將本文所提的恒功率PI 控制算法方案應(yīng)用于阿聯(lián)酋內(nèi)燃動車組的柴油機恒功率控制中，跟車采集的試驗數(shù)據(jù)驗證了本方案的控制效果。圖8 給出了列車各擋位加速試驗過程記錄，其工況說明如下：

圖8 柴油機負載率控制效果圖Fig.8 Control effect of load factor for diesel

1）在0～100 s時間段，車輛靜態(tài)下操作牽引3擋加速到70 km/h，再轉(zhuǎn)惰行、制動停車。

2）在100～200 s時間段，車輛靜態(tài)下操作牽引4擋加速到80 km/h，再轉(zhuǎn)惰行、制動停車。

3）在200 s 及之后的時間段，車輛靜態(tài)下操作牽引5擋加速到90 km/h，再轉(zhuǎn)惰行、制動停車。

由圖8可見，在不同牽引擋位的加速運行過程中，牽引系統(tǒng)實時負載功率跟隨柴油發(fā)電機組目標(biāo)功率抬升，并在一定時間后穩(wěn)定在目標(biāo)功率，穩(wěn)態(tài)偏差在±2%以內(nèi)。這驗證了本文所提出算法的有效性，即，其可實現(xiàn)不同擋位的恒功率跟隨及控制穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

為實現(xiàn)內(nèi)燃動車組柴油機組恒功率輸出的穩(wěn)定性及可靠性，本文提出了一種恒功率PI 控制算法，并基于半實物仿真測試了控制算法的有效性，且通過整車試驗對控制效果進行了實測驗證。結(jié)果顯示，該控制算法可實現(xiàn)不同擋位的恒功率跟隨及切換控制，達到內(nèi)燃動車組恒功率穩(wěn)態(tài)控制的目的。

因試驗條件限制，本研究尚未進行負載突切突投的適應(yīng)性測試，無法評估該PI恒功率控制算法在負載突變場景下的可靠性。因此，下一步將綜合考慮負載突變場景下PI 控制的動態(tài)響應(yīng)性能，以進一步完善算法。