周奇勛，曹世宏，寧 濤

(1.總后勤部建筑工程研究所，西安710032;2.西安科技大學，西安710054)

0 引 言

傳統(tǒng)柴油發(fā)電機組輸出的電能直接供用戶使用，供電質(zhì)量較低，對負載適應性差。發(fā)電機在空載和輕負荷情況下，柴油機依然保持全速運行，大大增加了燃油的損耗和對環(huán)境的污染，降低了機組使用壽命［1－2］。若將柴油發(fā)電機發(fā)出的交流電整流成直流再通過逆變技術(shù)逆變?yōu)榻涣麟妷?，雖然機組輸出電源質(zhì)量有所提高，但對于發(fā)電機來說，負載為整流性負載，功率因數(shù)低，功率損耗較大［2－3］。

基于上述情況，提出一種節(jié)能控制方案，使柴油機可根據(jù)負載功率確定最節(jié)能轉(zhuǎn)速，同時通過發(fā)動機冷卻液溫度等參數(shù)對柴油機轉(zhuǎn)速進行修正［4］。這種工作方式能夠保證機組始終工作在高效率區(qū)，提高燃油利用率，降低發(fā)電機磨損，同時減少對環(huán)境的污染，順應當代節(jié)能和環(huán)保這一主題［5］。

1 節(jié)能控制方案

柴油發(fā)動機帶動發(fā)電機輸出的交流電，經(jīng)整流器把交流電轉(zhuǎn)換成脈動電壓后，將所得脈動電壓進行升壓處理，得到恒定的直流電壓，再經(jīng)過逆變技術(shù)得到符合用電標準的工頻交流電。其系統(tǒng)拓撲如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

其中，柴油發(fā)動機為YC6M220－20(M3000)，其最大功率為162 kW，額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min。整流部分采用簡單、功耗小的橋式不控整流模式。升壓電路采用Boost－TL 變換器，它是一種將輸入電壓升高的非隔離直直變換器。

為了使逆變器逆變得到符合使用要求的標準工頻交流電，需要符合要求的直流電壓，即逆變器的輸入電壓值應大于等于工頻交流電的峰值電壓［6］。若整流器輸出的直流電不經(jīng)過升壓處理，發(fā)動機必須提高轉(zhuǎn)速才能達到逆變電壓的要求，這樣就增加了發(fā)動機的油耗。

Boost 升壓電路可以通過開關管的占空比控制升壓變換器的輸出電壓。當發(fā)電機輸出的電壓值較低時，增大開關管的占空比即可提高Boost 電路的輸出電壓值。針對發(fā)電機不同轉(zhuǎn)速輸出的不同電壓值，實時調(diào)整Boost 升壓開關管的占空比，得到穩(wěn)定且足夠高的逆變電壓［7］。因此，柴油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無需考慮直流電壓，而是根據(jù)不同的負載功率，工作在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，可以使發(fā)動機的油耗最低，達到節(jié)能的目的。

2 節(jié)能模型構(gòu)建

根據(jù)柴油發(fā)動機的萬有特性曲線，可以看出發(fā)動機在各種工況下的經(jīng)濟性。最內(nèi)層的等油耗曲線相當于最經(jīng)濟的區(qū)域，曲線越向外，經(jīng)濟性越差。柴油發(fā)動機YC6M220－20(M3000)的萬有特性曲線如圖2 所示［2］。

圖2 YC6M220－20(M3000)萬有特性曲線

根據(jù)圖2，找出柴油發(fā)動機在一定功率輸出時的最經(jīng)濟工況(轉(zhuǎn)速和負荷)。對各功率下最經(jīng)濟工況運行的轉(zhuǎn)速及其對應的功率進行擬合，便得到“最小燃油消耗特性”，擬合曲線如圖3 所示。

圖3 柴油發(fā)動機最小燃油消耗特性曲線

由此可得，柴油發(fā)動機輸出功率Pe和此功率下燃油消耗率最小運行轉(zhuǎn)速n 之間具有如下關系:

柴油發(fā)動機工作時，活塞、氣缸套等零部件與高溫燃氣接觸而具有相當高的溫度，若不對其進行有效的冷卻，會引起發(fā)動機零部件的機械強度下降，發(fā)生變形及過早的發(fā)生磨損等一系列問題。此外，燃燒室溫度過高將使燃燒過程惡化，導致柴油發(fā)動機功率下降。柴油發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中，散熱風扇由發(fā)動機曲軸帶輪通過V 帶驅(qū)動，受發(fā)動機轉(zhuǎn)速的制約。發(fā)動機低速大負荷時溫度高，當發(fā)動機溫度超過允許值時，需要提高風扇轉(zhuǎn)速以加強散熱，即需要適當提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速來改善發(fā)動機溫度狀況。風扇轉(zhuǎn)速nf隨發(fā)動機冷卻液溫度的變化關系如圖4 所示。

圖4 風扇轉(zhuǎn)速隨發(fā)動機水溫的變化

由圖4 可得，風扇轉(zhuǎn)速nf和發(fā)動機冷卻液溫度Tm滿足:

永磁同步發(fā)電機在運行過程中，自身的損耗主要包括定子銅損、鐵損、電氣附加損耗、機械損耗幾個部分。各種損耗基本都變成熱能，其中一部分由冷卻介質(zhì)帶走，余下的部分則使電機的溫度升高。如果發(fā)電機自身損耗太大，會使發(fā)電機溫度過高，降低發(fā)電機運行的穩(wěn)定性及效率。

式中:C，a，b，c 均為常數(shù);n 為發(fā)動機轉(zhuǎn)速;nT為iT對應的臨界轉(zhuǎn)速值。因此，發(fā)動機轉(zhuǎn)速的小于臨界值時，電感電流值大于iT，它的電感量會發(fā)生變化，這是由磁性材料的物理特性決定的。當電感量減小較多時，將使升壓電路不能正常工作。而且，發(fā)動機轉(zhuǎn)速過小，流經(jīng)電感的電流值較大，會產(chǎn)生較大的電流尖峰，導致系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量變差。

3 節(jié)能控制策略

綜合上述柴油發(fā)電機組的節(jié)能模型，提出柴油發(fā)動機的節(jié)能控制策略:

式中:K1，K2，K3為比例系數(shù)。發(fā)動機運行轉(zhuǎn)速主要依據(jù)兩方面的因素:一是負載大小，主要通過負載功率的反饋，決定電站變速運行時的工作點;二是冷卻液溫度，通過發(fā)動機冷卻液溫度的反饋，對電站運行工作點進行修正，以確保系統(tǒng)工作在更為安全的狀態(tài)。

當發(fā)動機冷卻液溫度低于設定值時，K1=1，K2=0，K3=0;當發(fā)動機冷卻液溫度較高時，增大K2;當發(fā)電機、整流器溫度過高時，增大系數(shù)K3。即在滿足發(fā)動機冷卻水溫度、發(fā)電機溫升、整流器溫升、升壓電感飽和特性和負載特性的前提下，盡可能降低發(fā)電機組的運行轉(zhuǎn)速，以最大限度節(jié)約燃油。

發(fā)電機轉(zhuǎn)速的控制首先通過負載功率的反饋，決定發(fā)電機燃油消耗率最低的轉(zhuǎn)速;其次通過發(fā)動機冷卻液溫度、發(fā)電機溫度、整流器溫度等的反饋，對發(fā)動機運行的轉(zhuǎn)速進行修正，以確保發(fā)動機運行在更為安全可靠的狀態(tài)。節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，逆變器內(nèi)部檢測系統(tǒng)的電壓電流，分析當前輸出的功率，根據(jù)當前輸出功率，向調(diào)速控制模塊發(fā)送速度指令，進而調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

圖5 節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制采用PID 控制方式，其閉環(huán)控制原理如圖6 所示。

Boost 升壓電路要求升壓得到穩(wěn)定的電壓值，采用PID 控制方式實現(xiàn)。Boost 升壓電路根據(jù)反饋電壓實時輸出不同占空比的PWM 波形，以快速響應負載變化，適時調(diào)節(jié)Boost 電壓，保證母線電壓的穩(wěn)定。

圖6 發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制原理

4 系統(tǒng)的建模與仿真

為了驗證系統(tǒng)理論的正確性和可行性，本設計運用MATLAB 建立模型并進行仿真，擬在仿真的基礎上，對整個系統(tǒng)的特性和工作極限等進行研究，并對控制策略進行驗證。

根據(jù)發(fā)電機的輸出特性，本文將發(fā)電機繞組簡化為三相交流電源，三相電源的連接方式為Y 型連接。三相四線電源通過設置參數(shù)改變每相輸出電壓幅值以及頻率，模擬變速發(fā)電機組在不同轉(zhuǎn)速下的輸出電壓波形。發(fā)電機組的仿真模型如圖7 所示。

圖7 發(fā)電機組模型及參數(shù)

整流升壓電路仿真模型如圖8 所示，仿真結(jié)構(gòu)由主電路和控制兩部分組成，其中控制機構(gòu)采用閉環(huán)控制。閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)采用PID 控制方式。PID 控制中，PWM 占空比指令產(chǎn)生機制如圖9 所示。

圖8 整流升壓電路仿真模型

圖9 PWM 發(fā)生器仿真模型

由于發(fā)電機輸出電壓、頻率與發(fā)電機轉(zhuǎn)速呈線性關系，由此可得發(fā)電機不同轉(zhuǎn)速下對應的輸出電壓、頻率值。改變負載，根據(jù)節(jié)能模型求得各個負載功率對應燃油消耗率最低轉(zhuǎn)速nPe(假定此時K1=1，K2=0，K=0)，改變?nèi)嚯娫磪?shù)為nPe下的輸出電壓、頻率值，模擬不同負載條件下的工況。

此外，在本仿真模型中，測定三相交流電源的功率因數(shù)，衡量本方案永磁同步發(fā)電機效率。其中，功率因數(shù)計算模塊Calculator 如圖10 所示。

圖10 功率因數(shù)計算模塊

在不同的負載條件下，以節(jié)能模型確定轉(zhuǎn)速運行時的不同頻率、幅值的電壓，經(jīng)整流升壓電路后均可得到穩(wěn)定的750 V 直流電壓值。且由仿真模型功率因數(shù)計算模塊Calculator 測得的功率因數(shù)Pf值可達0.95。

負載功率Pe、模擬發(fā)電機轉(zhuǎn)速n、功率因數(shù)Pf、Boost 升壓電路輸出電壓U 隨時間t 的變化情況分別如圖11 ～圖14 所示。

圖11 Pe -t 變化關系曲線

圖12 n-t 變化關系曲線

圖13 U-t 變化關系曲線

圖14 Pf -t 變化關系曲線

上述仿真結(jié)果表明，在不同的負載條件下，由節(jié)能模型確定的轉(zhuǎn)速下經(jīng)整流升壓電路可得到較高且穩(wěn)定的電壓值，滿足逆變器輸入電壓要求;同時功率因數(shù)值可達0.95，發(fā)電機利用率高。系統(tǒng)控制算法正確，驗證了方案的可行性。

5 系統(tǒng)試驗

5.1 空載性能試驗

空載條件下，對升壓系統(tǒng)輸出的電壓電流進行捕獲，得到如圖15 所示波形。從圖15 中可以看出，Boost 輸出電壓和電感電流波形基本保持穩(wěn)定，單側(cè)母線電壓為375 ±5 V，正負母線電流分別為2.17 A，－3.11 A。

圖15 空載升壓系統(tǒng)輸出電壓電流波形

5.2 帶載性能實驗

系統(tǒng)試驗中在加滿載時，經(jīng)過升壓子系統(tǒng)的電流波形及輸出的電壓波形如圖16 所示。正負母線電流波形，根據(jù)升壓電路的工作原理，由于升壓過程中功率管的斬波，使得電流波形呈現(xiàn)出波動。與空載試驗結(jié)果對比，電流在負載增大的工況下波動幅值增加;輸出母線電壓在滿載工況下與空載情況基本相同，能夠保持恒定的電壓輸出。

圖16 帶載工況升壓子系統(tǒng)電壓電流波形

突加載試驗要求升壓子系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定在恒定值，即在負載突變的工況下，升壓子系統(tǒng)能進行自適應控制。圖17 為滿載突加試驗波形，加載過程中，由于負載增加，電路中的電流會突增，但Boost輸出電壓穩(wěn)定，正負母線電感電流均衡，并在負載突變時，輸出電壓突變小于30 V，穩(wěn)定時間200 ms，可以滿足后級逆變對輸入電壓的要求。

圖17 突然加載升壓子系統(tǒng)電壓電流變化波形

上述實驗可以表明，在負載狀況不同的情況下，經(jīng)Boost 升壓可得到穩(wěn)定的輸出電壓，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、控制策略合理，可以實現(xiàn)負載突變情況下穩(wěn)定工作。

6 結(jié) 語

從傳統(tǒng)柴油機對外界用電設備的適應性較差這一缺陷出發(fā)，研究配備“發(fā)電－恒壓－逆變”型柴油發(fā)電機組，使其可根據(jù)負載功率調(diào)節(jié)柴油機的轉(zhuǎn)速，同時根據(jù)發(fā)動機冷卻水溫度等信號對轉(zhuǎn)速控制進行修正，使機組始終工作在高效率可靠狀態(tài)，達到節(jié)能的目的。本文主要研究了逆變器前級的整流升壓部分，它是逆變得到符合用電標準的工頻交流電的前提和基礎，具有重要意義。

［1］ MCGOWAN D J，MORROW D J，F(xiàn)OX B. Multiple input governor control for a diesel generating set［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2008，23(8):851－859.

［2］ MATTAVELLI P. A closed－loop selective rmonic compensation for active filters［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2001，37(1):81－89.

［3］ Brief to industry mobile electric hybrid power sources［R］.Expeditionary Energy Office，2013.

［4］ ZHANG Zhuo－ran，YAN Yang－guang，YANG Shan－shui，et al.Development of a new permanent－magnet BLDC generator using 12－phase half－wave rectifier［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56(6):2023－2029.

［5］ 楊新征.國內(nèi)外柴油發(fā)電機組自動化控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.移動電源與車輛，2006(3):44－47.

［6］ 毛小兵. 變結(jié)構(gòu)控制理論在非線性發(fā)動機調(diào)速系統(tǒng)中的應用研究［D］.武漢:武漢理工大學，2008:19－26.

［7］ KIM D－H，CHOE G－Y，LEE B－K.DCM analysis and inductance design method of interleaved boost converters［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(10):4700－4711.

［8］ 帥定新，謝運祥，王曉剛，等. Boost 變換器非線性電流控制方法［J］.中國電機工程學報，2009，29(15):15－21.