陽習(xí)黨 翟小飛 馬偉明 胡 安 晏 明

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033）

1 引言

目前蓄電池充電可以采用開關(guān)器件可控整流和二極管不控整流等兩種方式，前者是固定交流電壓，通過變流裝置來調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓以控制充電功率；后者是通過改變交流電源來調(diào)節(jié)充電功率[1-3]。采用發(fā)電機(jī)經(jīng)不控整流的方式，由于交流電源不取自電網(wǎng)，從而減小了充電設(shè)備對電網(wǎng)的干擾和諧波污染，同時(shí)避免了電網(wǎng)故障導(dǎo)致充電過程終止的風(fēng)險(xiǎn)。

斯特林發(fā)動機(jī)是一種外燃的閉式循環(huán)往復(fù)活塞式熱力發(fā)電機(jī)，汽缸一端為熱腔，另一端為冷腔。燃料在氣缸外的燃燒室內(nèi)連續(xù)燃燒，通過加熱器傳遞給工質(zhì)，工質(zhì)不直接參與燃燒。工質(zhì)在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫?zé)崆恢醒杆偌訜?，膨脹做功[4,5]。以斯特林發(fā)動機(jī)作為原動機(jī)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)為斯特林發(fā)電機(jī)組。斯特林發(fā)動機(jī)（稱為原動機(jī)）采用固定間隔、定量補(bǔ)充燃料模式，在單位時(shí)間內(nèi)輸出固定的能量，因此其工作方式是恒功率輸出，調(diào)節(jié)燃料補(bǔ)充速度可以控制原動機(jī)輸出功率大小[6,7]。斯特林發(fā)動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下工作效率最高、壽命最長，而其采用轉(zhuǎn)速開環(huán)、恒功率輸出的工作方式，需要發(fā)電機(jī)向負(fù)載輸出相匹配的功率，才能使發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。

斯特林發(fā)電機(jī)組整流后帶蓄電池構(gòu)成的充電機(jī)組，由于發(fā)電機(jī)組恒功率輸出，以及蓄電池電壓在充電期間變化緩慢，可以近似認(rèn)為是恒流充電方式，因此斯特林充電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有較好的充電特性。通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，控制發(fā)電機(jī)向蓄電池充電功率 P1，使之與從原動機(jī)獲得的輸入機(jī)械功率P0相平衡，實(shí)現(xiàn)在不同的充電功率條件下，機(jī)組穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速工作。

2 整流充電發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整流充電發(fā)電機(jī)組是以斯特林發(fā)動機(jī)作為原動機(jī)，主發(fā)電機(jī)輸出經(jīng)不控整流后向蓄電池負(fù)載充電。圖1 為充電發(fā)電機(jī)組電氣原理圖。整流充電發(fā)電機(jī)組采用無刷勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁機(jī)為與主發(fā)電機(jī)同軸的轉(zhuǎn)樞式三相發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子為電樞，定子為勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁機(jī)電樞（轉(zhuǎn)子）輸出經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器后向主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組（轉(zhuǎn)子）供電[11-14]。勵(lì)磁電源經(jīng)過勵(lì)磁功率放大器后向勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁電流，從而間接控制主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流大小。圖1 中的測速電路和勵(lì)磁電流調(diào)理電路，分別向數(shù)字式勵(lì)磁控制器提供機(jī)組轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流信號，數(shù)字式勵(lì)磁控制器根據(jù)這兩種信號進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)算，產(chǎn)生勵(lì)磁功率放大器PWM 控制脈沖，從而對勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流進(jìn)行控制。

圖1 充電發(fā)電機(jī)組電氣原理圖Fig.1 Schematic of the rectified charging generator

當(dāng)原動機(jī)輸出功率增加，勵(lì)磁控制系統(tǒng)應(yīng)增加勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流，提高主發(fā)電機(jī)向蓄電池充電功率，使發(fā)電機(jī)組輸入功率和輸出功率相匹配，保證發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。反之，當(dāng)原動機(jī)輸出功率減小，勵(lì)磁控制系統(tǒng)應(yīng)減小勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流，維持發(fā)電機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速。

2.1 勵(lì)磁功率放大電路設(shè)計(jì)

連續(xù)改變勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞電壓從而改變勵(lì)磁電流是實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容。文獻(xiàn)[3]提到相控整流、文獻(xiàn)[16]采用的H 橋電路拓?fù)湟约拔墨I(xiàn)[17]采用的Buck 電路拓?fù)渚茏鳛閯?lì)磁功率電路。根據(jù)充電發(fā)電機(jī)勵(lì)磁容量較小的特點(diǎn)，本文選取只需單個(gè)可控器件的Buck 電路作為勵(lì)磁功率電路，稱為勵(lì)磁功率放大器。勵(lì)磁功率放大器主要作用是，在勵(lì)磁控制器PWM 脈沖控制下，向勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組提供連續(xù)可調(diào)的平均勵(lì)磁電壓，從而實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)。勵(lì)磁功率放大器電路原理如圖2 所示，圖3 為勵(lì)磁功率放大電路的充電和續(xù)流工作狀態(tài)。

圖2 Buck 電路結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁功率放大器電路Fig.2 Buck topology circuit of the excitation power amplifier

圖3 勵(lì)磁功率放大器充電和續(xù)流回路Fig.3 Charging and continuous-flow circuit of the excitation power amplifier

圖2 中VT 為N 型MOSFET 功率器件，VD 為勵(lì)磁繞組續(xù)流二極管，Re和Le分別為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組的電阻和電感，Ufd為勵(lì)磁功率放大器直流供電電源。在PWM 脈沖控制下，開關(guān)器件VT 存在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，引起勵(lì)磁功率主電路存在充電和續(xù)流兩種模態(tài)。當(dāng)開關(guān)器件VT 導(dǎo)通時(shí)，供電電源向勵(lì)磁繞組供電，勵(lì)磁電流增加，圖3a 為其充電回路；當(dāng)按VT 斷開時(shí)，勵(lì)磁繞組通過續(xù)流二極管VD 自然續(xù)流放電，勵(lì)磁電流減小，圖3b 為其續(xù)流回路。勵(lì)磁繞組平均勵(lì)磁電壓Ufem與供電電源Ufd存在以下關(guān)系

式中 Dm——PWM 占空比。

改變Dm可以調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組上的平均電壓，從而調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組電流大小。由于開關(guān)動作的影響，輸出電流為直流電流基礎(chǔ)上疊加與PWM 頻率相同的紋波。圖4 為輸出勵(lì)磁電流與PWM 信號波形。

圖4 PWM 信號與輸出勵(lì)磁電流波形Fig.4 PWM signal and the waveforms of the excitation current

2.2 轉(zhuǎn)速測量電路設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測量是斯特林發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求。受到機(jī)組體積限制，光電編碼器和齒輪盤等測速方式會增加機(jī)組軸向長度，因此本文選用測頻測速的方法。根據(jù)發(fā)電機(jī)極對數(shù)p 和測量出的交流電壓頻率f，由式（2）可計(jì)算發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速n。

DSP 控制器采用定時(shí)器計(jì)數(shù)的方法，通過片上捕獲電路（CAP 接口）可以方便地對方波周期進(jìn)行測量。但是如果被測量方波周期很長，會導(dǎo)致DSP定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出而出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此被測量方波頻率應(yīng)位于合理的范圍。為了實(shí)現(xiàn)測頻測速，本文采用圖5 所示電路對交流電壓信號進(jìn)行整型和倍頻處理。

圖5 測頻測速信號處理電路Fig.5 Signal processing circuit of the speed measurement

圖5 中電壓傳感器將高壓交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘朓m，并經(jīng)過測量電阻Rm轉(zhuǎn)換為正弦電壓信號Um，經(jīng)過滯環(huán)比較電路環(huán)節(jié)后，該信號被整型為方波信號，通過倍頻電路生成較高頻率方波信號。該方波信號送到DSP 控制器的捕獲引腳（CAP）進(jìn)行周期測量，并根據(jù)周期反推出交流電壓的頻率和機(jī)組轉(zhuǎn)速。根據(jù)圖5 中的滯環(huán)比較電路原理，要求發(fā)電機(jī)交流電壓不小于參考電壓Vref所對應(yīng)的交流電壓Umin，否則不能產(chǎn)生方波信號，從而導(dǎo)致測頻測速失敗。

可見，建立大于Umin的交流電壓并設(shè)置合理的倍頻數(shù)值是該測速電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。倍頻數(shù)值通過分析在電路設(shè)計(jì)中容易實(shí)現(xiàn)，而低速階段建立一定大小的端口電壓，則是通過預(yù)勵(lì)磁方法實(shí)現(xiàn)，這部分內(nèi)容在2.3 小節(jié)中介紹。

2.3 穩(wěn)速為目標(biāo)的勵(lì)磁控制策略設(shè)計(jì)

從前面敘述可知，保持恒速是斯特林發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)，因此勵(lì)磁控制系統(tǒng)以機(jī)組轉(zhuǎn)速n 為外環(huán)控制量；同時(shí)，為了減小勵(lì)磁機(jī)環(huán)節(jié)的等效時(shí)間常數(shù)，本文采用易于測量的勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流作為內(nèi)環(huán)控制量，以提高發(fā)電機(jī)組的動態(tài)響應(yīng)速度[18-21]。因此，斯特林發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制采用了轉(zhuǎn)速外環(huán)、勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，其勵(lì)磁控制框圖如圖6 所示。

圖6 發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制框圖Fig.6 Control block of the excitation system

整流發(fā)電機(jī)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)包括了勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組和主發(fā)電機(jī)兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流慣性環(huán)節(jié)Ge(s)可以表示為式（3），主發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩慣性環(huán)節(jié)Gt(s)可以表示為式（4），發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)Gn(s)可以表示為式（5）所示。

式中 Ke，Te——勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組的放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)；

Kt，Tg——主發(fā)電機(jī)環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)；

Tm——原動機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩；

Te——主發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；

Jm——機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量。

從圖 6 可以看出與普通反饋系統(tǒng)略有不同的是，轉(zhuǎn)速偏差Δn 為實(shí)際轉(zhuǎn)速n 減去轉(zhuǎn)速參考nref，即Δn=n-nref。因?yàn)樵瓌訖C(jī)增加輸入功率導(dǎo)致轉(zhuǎn)速n和Δn 均上升，Δn 增加引起轉(zhuǎn)速PI 調(diào)節(jié)器輸出Ife_cmd增加，在電流內(nèi)環(huán)作用下勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流Ife隨著Ife_cmd增加，從而增加發(fā)電機(jī)輸出功率使機(jī)組達(dá)到功率平衡，維持轉(zhuǎn)速不變。反之，原動機(jī)減小輸入功率，勵(lì)磁系統(tǒng)不斷減小勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流以減小發(fā)電機(jī)輸出功率，從而維持機(jī)組轉(zhuǎn)速不變。

根據(jù)整流器單向?qū)щ娞匦砸约靶铍姵馗旱挠绊?，本文將整流充電發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)過程分為兩個(gè)階段，其過程示意圖如圖7 所示。

圖7 勵(lì)磁調(diào)節(jié)過程示意圖Fig.7 General view of the excitation regulation process

第一階段：預(yù)勵(lì)磁階段。這個(gè)階段主要是確保發(fā)電機(jī)組低速階段的測頻測速功能，并使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷上升。該階段主要特點(diǎn)是機(jī)組轉(zhuǎn)速范圍為0～1 200r/min 的低速區(qū)間，勵(lì)磁調(diào)節(jié)采用轉(zhuǎn)速開環(huán)、電流閉環(huán)的單內(nèi)環(huán)控制方式。此階段發(fā)電機(jī)端口電壓U0既要大于Umin（見2.2 小節(jié)）以滿足測頻測速要求，又不能大于蓄電池電壓Ud，而導(dǎo)致整流器通電，發(fā)電機(jī)帶載，降低機(jī)組轉(zhuǎn)速上升速率，甚至在此低速區(qū)達(dá)到功率平衡、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。此階段發(fā)電機(jī)端口電壓U0應(yīng)滿足式（6），即

式中，Umax為對應(yīng)于蓄電池浮壓Ud，使整流器處于臨界導(dǎo)通時(shí)的交流電壓。

從上述分析可知，此階段機(jī)組處于空載狀態(tài)且不斷加速向額定轉(zhuǎn)速靠近，根據(jù)發(fā)電機(jī)空載電壓U0

通過控制勵(lì)磁電流 Ife，可使發(fā)電機(jī)空載電壓U0保持基本不變且滿足式（6）。在圖7 的0A 轉(zhuǎn)速階段，由于轉(zhuǎn)速n 很低，采用較大的恒定勵(lì)磁電流建立交流端口電壓U0；在轉(zhuǎn)速AB 階段，隨著轉(zhuǎn)速n 不斷升高，調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流不斷下降，以保證發(fā)電機(jī)端口電壓維持穩(wěn)定。

第二階段：轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)階段。此階段勵(lì)磁調(diào)節(jié)從電流內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速外環(huán)和勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。在圖7 轉(zhuǎn)速BC 區(qū)間，由于PI 調(diào)節(jié)器對轉(zhuǎn)速偏差Δn 的積分作用，轉(zhuǎn)速PI 調(diào)節(jié)器輸出不斷減小直到飽和下限Ife_min。當(dāng)轉(zhuǎn)速n 超過設(shè)定值nref時(shí)，轉(zhuǎn)速PI 調(diào)節(jié)器逐步退出飽和并進(jìn)行穩(wěn)速調(diào)節(jié)。

3 發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)

試驗(yàn)用發(fā)電機(jī)機(jī)組參數(shù)如下：

主發(fā)電機(jī)為同步發(fā)電機(jī)，額定功率Pe=100kW，極對數(shù)p=2，額定轉(zhuǎn)速ne=1 800r/min，蓄電池初始電壓Ud=475V。勵(lì)磁機(jī)額定勵(lì)磁電流Ifen=3.3A，勵(lì)磁功率放大器直流側(cè)電壓為Ufd=24V(DC)。

根據(jù)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)過程，預(yù)勵(lì)磁階段、進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速階段、恒功率充電階段、發(fā)電機(jī)組輸出功率增加階段等四個(gè)主要狀態(tài)的試驗(yàn)波形分別如圖8～圖11 所示。

圖8 預(yù)勵(lì)磁階段發(fā)電機(jī)各物理量變化曲線Fig.8Waveforms of the variables in the pre-excitation stage

圖9 進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速區(qū)間，發(fā)電機(jī)各物理量變化曲線Fig.9Waveforms of the variables in the accessing to the rated speed stage

圖10 機(jī)組100kW 恒功率輸出時(shí)各物理量變化曲線Fig.10Waveforms of the variables in the 100kW constant output power stage

圖11 機(jī)組輸出功率從65kW 增加到80kW，各物理量變化曲線Fig.11Waveforms of the variables in the rising stage from 65kW to 80kW

（1）預(yù)勵(lì)磁階段。從圖 8 可以看出，機(jī)組400r/min 以下時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流維持在1.8A 左右，直流側(cè)充電電流為0A，發(fā)電機(jī)處于空載狀態(tài)。轉(zhuǎn)速超過400r/min 時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流不斷下降，直流側(cè)充電電流為0A，發(fā)電機(jī)保持空載狀態(tài)。

（2）進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速階段。從圖9 可以看出，在轉(zhuǎn)速1 200r/min 到1 800r/min 區(qū)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速PI 調(diào)節(jié)器輸出其飽和下限值，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流恒定為0.8A，直流側(cè)充電電流為0A，發(fā)電機(jī)空載。轉(zhuǎn)速超過1 800r/min 后，轉(zhuǎn)速PI 調(diào)節(jié)器退出下限飽和進(jìn)入線性區(qū)域，勵(lì)磁電流不斷上升，直流側(cè)充電電流從零增加到10A 左右，發(fā)電機(jī)帶載，機(jī)組轉(zhuǎn)速從超調(diào)峰值回落到1 800r/min 左右并很快收斂，機(jī)組進(jìn)入轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）恒功率充電階段。發(fā)電機(jī)向蓄電池輸出100kW 左右電功率，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 800r/min，直流側(cè)電壓為DC 492V，直流側(cè)充電電流為204A，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流穩(wěn)定在2.8A 左右?？梢姲l(fā)電機(jī)組進(jìn)入穩(wěn)定的恒功率充電狀態(tài)。

（4）發(fā)電機(jī)組輸出功率增加階段。原動機(jī)輸出功率從65kW 增加到80kW，相當(dāng)于原動機(jī)向系統(tǒng)提供了一個(gè)不斷增大的輸入擾動。從圖11 可以看出，勵(lì)磁控制系統(tǒng)對該擾動進(jìn)行有效抑制，轉(zhuǎn)速僅出現(xiàn)小幅波動，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流從 2.2A 上升到2.4A，直流側(cè)電壓從DC 488V 增加到DC 494V，直流側(cè)充電電流電流從135A 上升到160A。發(fā)電機(jī)組從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，反映出系統(tǒng)良好的動態(tài)調(diào)節(jié)特性。

從圖8～圖11 所示的各物理量變化曲線可以看出，采用數(shù)字控制芯片DSP 構(gòu)成的數(shù)字式勵(lì)磁控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了斯特林發(fā)電機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速條件下向蓄電池充電功能，并能在原動機(jī)輸入功率變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的目的。從下表顯示的數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)電機(jī)組在100kW 的恒功率充電條件下，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速波動為±1r/min；當(dāng)原動機(jī)功率從65kW 增加到 80kW 時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速正向波動為+23r/min，轉(zhuǎn)速負(fù)向波動為-6r/min?？梢姳疚脑O(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)調(diào)節(jié)特性。

表 發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)Tab. Data of the generator excitation regulation（單位：r/min）

4 結(jié)論

針對斯特林發(fā)電機(jī)組工作特點(diǎn)，采用DSP 芯片構(gòu)成的數(shù)字式勵(lì)磁控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速外環(huán)、勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。采用測頻測速方法可以獲得準(zhǔn)確的發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速，且在低速區(qū)間采用預(yù)勵(lì)磁方法解決了轉(zhuǎn)速測量問題。根據(jù)發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)和動態(tài)試驗(yàn)，反映出勵(lì)磁控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)調(diào)速特性和較好的動態(tài)調(diào)節(jié)性能，實(shí)現(xiàn)了斯特林發(fā)電機(jī)組在恒速條件下向蓄電池充電的功能。

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