白 華, 劉春光, 廖自力, 陳路明

(陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072)

電傳動(dòng)車(chē)輛中驅(qū)動(dòng)、牽引等多用電任務(wù)所需的大量電能，均由車(chē)載綜合電力系統(tǒng)提供.發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組作為車(chē)載綜合電力系統(tǒng)的主動(dòng)力源，是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量及時(shí)供應(yīng)、分配的關(guān)鍵[1].因此，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組控制是電傳動(dòng)技術(shù)研究中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)提高電傳動(dòng)車(chē)輛的性能、充分發(fā)揮電傳動(dòng)優(yōu)勢(shì)具有十分重要的作用.

目前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組控制策略和算法的研究較多也較為成熟，但大多都是獨(dú)立對(duì)單個(gè)部件的控制，對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制策略與算法的研究較少，并且還不夠深入.

本研究結(jié)合一種新型車(chē)載綜合電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)要介紹了常用的發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)-整流器控制策略，提出發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制將是下一步研究的重點(diǎn)和方向.

1 車(chē)載綜合電力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組控制策略簡(jiǎn)介

電傳動(dòng)車(chē)輛中，車(chē)載綜合電力系統(tǒng)通常可根據(jù)車(chē)輛用電需求及系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)[2].通過(guò)分析對(duì)比，并結(jié)合西方發(fā)達(dá)國(guó)家電傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[3-6]，采用以發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組為主動(dòng)力源，以動(dòng)力電池組+雙向DC/DC與超級(jí)電容并聯(lián)的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)為輔助動(dòng)力源的串聯(lián)式車(chē)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(chē)載綜合電力系統(tǒng)方案

圖中，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組工作原理為發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)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(chē)負(fù)載提供電能，還需確保輔助動(dòng)力源電能充足以滿足車(chē)輛其他用電任務(wù)的需要.因此，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組控制策略的選擇必須滿足使其具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并且其發(fā)出的功率能夠快速跟蹤實(shí)際功率需求，同時(shí)還要注重提高其工作效率.圖2為常用的發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組控制策略.

圖2 常用的發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組控制策略

2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略研究概況

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方式主要有定轉(zhuǎn)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(diǎn)轉(zhuǎn)速切換控制3種.

2.1 定轉(zhuǎn)速功率跟隨控制

定轉(zhuǎn)速功率跟隨控制是將發(fā)動(dòng)機(jī)固定在某一個(gè)特定轉(zhuǎn)速下，僅通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩來(lái)滿足給定的功率需求，來(lái)保證車(chē)輛正常發(fā)揮其機(jī)動(dòng)性能.從控制方面看，由于發(fā)動(dòng)機(jī)始終在某特定轉(zhuǎn)速下工作，功率變化過(guò)程相對(duì)平順，有利于電壓穩(wěn)定輸出，具有操作簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn).

然而，由于行駛路況復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組需實(shí)時(shí)跟蹤后功率鏈的功率需求，因此須工作在高轉(zhuǎn)速.負(fù)載較小時(shí)，需求功率小，而發(fā)動(dòng)機(jī)依然工作在高轉(zhuǎn)速，輸出功率大，造成燃油經(jīng)濟(jì)性損失，且對(duì)其工作狀態(tài)的控制效果變差，整體工作效率降低；車(chē)輛突加減速時(shí)，為滿足功率需求，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩將劇烈變化，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)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(jiǎn)單或?qū)\(yùn)行電壓和頻率有一定特殊要求的普通用電設(shè)備及內(nèi)燃機(jī)車(chē)上.

2.2 最佳燃油消耗曲線跟隨控制

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出某一功率時(shí)所對(duì)應(yīng)的不同轉(zhuǎn)速下的耗油量大小.圖3為某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線[8].

圖3 某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線

由圖3可知，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的每一個(gè)功率值，都存在一對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速，使其在該轉(zhuǎn)速下工作時(shí)單位輸出功率消耗燃油最少.將所有功率-轉(zhuǎn)速點(diǎn)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(dòng)機(jī)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(xiě)入MATLAB/Simulink，以查表方式作為發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化圖譜.根據(jù)目標(biāo)輸出功率，通過(guò)查表獲得發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)最佳工作轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)油門(mén)開(kāi)度使其沿最佳燃油曲線工作.同時(shí)，在頂層功率分配中盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū).

現(xiàn)實(shí)中，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，且只能在一定的功率-速度范圍內(nèi)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(shí)頻繁變換發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)損失燃油經(jīng)濟(jì)性，工作效率降低.

該控制策略可使發(fā)動(dòng)機(jī)很好地跟蹤功率需求，大大提升發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，充分發(fā)揮電傳動(dòng)優(yōu)勢(shì)，在電傳動(dòng)車(chē)輛中應(yīng)用較為廣泛.

2.3 基于功率需求的多點(diǎn)轉(zhuǎn)速切換控制

當(dāng)電傳動(dòng)車(chē)輛變速、爬坡及轉(zhuǎn)向等時(shí)，瞬時(shí)功率需求波動(dòng)較大，需發(fā)動(dòng)機(jī)不斷調(diào)節(jié)輸出功率，此時(shí)控制其沿最佳燃油曲線工作，則轉(zhuǎn)速不斷調(diào)整，這種方式難以達(dá)到最佳效果.為此設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)基于功率需求的多點(diǎn)轉(zhuǎn)速切換控制，即將發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍劃分為幾個(gè)目標(biāo)功率區(qū)域，如圖5所示.每個(gè)區(qū)域都參照最佳燃油曲線確定發(fā)動(dòng)機(jī)在該區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，根據(jù)功率需求在不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速間切換.同時(shí)，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(zhuǎn)速切換的臨界位置變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻繁切換，提高了工作效率.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速點(diǎn)運(yùn)行或其之間切換時(shí)，為優(yōu)化其工作區(qū)域及確保調(diào)速性能，對(duì)發(fā)電機(jī)的目標(biāo)扭矩進(jìn)行限幅.

圖5 基于功率需求的多點(diǎn)轉(zhuǎn)速切換功率跟隨控制

該控制策略結(jié)合了前兩種控制策略的優(yōu)點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)盡量沿最佳燃油曲線工作的同時(shí)，又能有效避免轉(zhuǎn)速頻繁切換.根據(jù)功率需求運(yùn)行在相對(duì)經(jīng)濟(jì)的區(qū)域，減少由轉(zhuǎn)速擋動(dòng)態(tài)變化造成的動(dòng)態(tài)損耗，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，大大提高了工作效率，在電傳動(dòng)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)控制中同樣應(yīng)用廣泛.

然而，理論上講，發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)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(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)工作區(qū)域、設(shè)計(jì)控制算法具有重要意義.同時(shí)，也增加控制算法研究的難度和復(fù)雜性.

3 發(fā)電機(jī)-整流器控制策略研究概況

對(duì)發(fā)電機(jī)的控制是基于提升發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)，從而減少電機(jī)側(cè)變換器的容量和成本，并提高發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性.實(shí)際上，控制發(fā)電機(jī)是通過(guò)對(duì)整流橋的控制實(shí)現(xiàn)的，由于永磁同步發(fā)電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，不能通過(guò)直接控制勵(lì)磁控制其運(yùn)行狀態(tài)，只能通過(guò)PWM整流器控制d軸和q軸電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的弱磁或增磁控制，從而控制PWM整流器網(wǎng)側(cè)的運(yùn)行狀態(tài).

常用的發(fā)電機(jī)-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(guò)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(shí)，電流矢量應(yīng)滿足

(2)

(3)

為便于分析，將扭矩方程用標(biāo)么值表示得

Te=iqn(1-idn).

(4)

式中:Te為扭矩標(biāo)么值；idn為直軸電流標(biāo)么值；iqn為交軸電流標(biāo)么值.

由此可得交、直軸電流分量與電磁扭矩的關(guān)系為

(5)

由式(5)可得到idn、iqn與Te的關(guān)系曲線，如圖6所示.

圖6 最大扭矩/電流關(guān)系曲線

最大扭矩/電流比控制，提高了扭矩響應(yīng)速度，減小了電機(jī)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(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，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(shù)被廣泛用于發(fā)電機(jī)控制之中，目前永磁同步發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)大多采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，其原理是根據(jù)整流器電壓空間矢量的變換來(lái)控制整流橋各功率開(kāi)關(guān)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?fù)鋱D[9]，其由網(wǎng)側(cè)回路、功率開(kāi)關(guān)橋路和直流回路組成.

圖7 三相電壓型PWM整流電路拓?fù)鋱D

圖中g(shù)1～g6為加在功率器件上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，ea、eb、ec分別為交流側(cè)三相電壓，udc為直流側(cè)電壓.

穩(wěn)態(tài)時(shí)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q分量都是直流分量，因此在選取兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq的初始參考軸方向時(shí)，通常選擇d軸與發(fā)電機(jī)輸出電動(dòng)勢(shì)空間矢量重合，則d軸表示有功分量參考軸，q軸表示無(wú)功分量參考軸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立控制PWM整流器網(wǎng)側(cè)的有功功率和無(wú)功功率.

圖7的PWM整流電路中有6個(gè)功率開(kāi)關(guān)，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，各相對(duì)應(yīng)的上下橋臂有且僅有一個(gè)導(dǎo)通，因此三相電壓型PWM整流電路共有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合，分別為(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)、(111)，用V0～V7分別表示對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量.由于V0和V7均為零矢量，因此僅有對(duì)稱均勻分布在復(fù)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(zhuǎn)坐標(biāo)系中的任一電壓空間矢量均可由8個(gè)矢量V0～V7中的某些矢量合成.穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，給定的電壓空間矢量在復(fù)平面上以某一速度旋轉(zhuǎn)，其端點(diǎn)軌跡近似為六邊形外接圓.PWM開(kāi)關(guān)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(cè)輸入電流等效為正弦波，實(shí)現(xiàn)了控制電流的目的[10].

電壓空間矢量控制技術(shù)可同時(shí)控制交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)了抑制交流側(cè)輸入電流諧波分量、穩(wěn)定直流側(cè)輸出電壓，降低了功率開(kāi)關(guān)通態(tài)和開(kāi)關(guān)損耗，加快了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，提升了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)及運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)等.

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究簡(jiǎn)要分析了幾種常用的發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)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(jì)性、改善技術(shù)指標(biāo)等方面進(jìn)行研究，很少考慮行駛環(huán)境對(duì)車(chē)輛的影響.這是由于大多數(shù)車(chē)輛行駛于較為平緩的普通路況環(huán)境，不需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)之間協(xié)調(diào)的問(wèn)題.

而電傳動(dòng)裝甲車(chē)輛通常行駛環(huán)境惡劣、路況復(fù)雜多變.在原理樣車(chē)的復(fù)雜路況試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛在急加/減速和負(fù)載突變的過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)了運(yùn)行不穩(wěn)定、甚至發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的問(wèn)題.這是由于為保證直流母線電壓的穩(wěn)定，對(duì)發(fā)電機(jī)實(shí)行穩(wěn)壓控制，由于發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程較快，響應(yīng)時(shí)間約為毫秒級(jí)，而發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程較慢，響應(yīng)時(shí)間約為秒級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的響應(yīng)過(guò)程不匹配，因此發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以快速響應(yīng)發(fā)電機(jī)的扭矩需求，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組未能達(dá)到協(xié)調(diào)一致.

為此，深入分析研究發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制策略與算法，提高發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的功率輸出能力，對(duì)提高車(chē)載綜合電力系統(tǒng)供電能力與品質(zhì)，提升電傳動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)整車(chē)能量?jī)?yōu)化管理控制，具有重要的理論指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值.