车载综合电力系统发动机-发电机组控制策略概述

白 华, 刘春光, 廖自力, 陈路明

(陆军装甲兵学院，北京 100072)

电传动车辆中驱动、牵引等多用电任务所需的大量电能，均由车载综合电力系统提供.发动机-发电机组作为车载综合电力系统的主动力源，是整个系统实现能量及时供应、分配的关键[1].因此，发动机-发电机组控制是电传动技术研究中的关键环节，对提高电传动车辆的性能、充分发挥电传动优势具有十分重要的作用.

目前对发动机-发电机组控制策略和算法的研究较多也较为成熟，但大多都是独立对单个部件的控制，对整个发动机-发电机组的协调控制策略与算法的研究较少，并且还不够深入.

本研究结合一种新型车载综合电力系统拓扑结构，简要介绍了常用的发动机、发电机-整流器控制策略，提出发动机-发电机组协调控制将是下一步研究的重点和方向.

1 车载综合电力系统发动机-发电机组控制策略简介

电传动车辆中，车载综合电力系统通常可根据车辆用电需求及系统优化目标进行灵活设计[2].通过分析对比，并结合西方发达国家电传动技术的发展现状及趋势[3-6]，采用以发动机-发电机组为主动力源，以动力电池组+双向DC/DC与超级电容并联的复合储能系统为辅助动力源的串联式车载综合电力系统方案[7]，如图1所示.

图1 采用的串联式车载综合电力系统方案

图中，发动机-发电机组工作原理为发动机拖动发电机产生三相交流电，经可控整流器变换为直流电输送到直流母线上，不仅要持续为整车负载提供电能，还需确保辅助动力源电能充足以满足车辆其他用电任务的需要.因此，发动机-发电机组控制策略的选择必须满足使其具有良好的动态响应特性，并且其发出的功率能够快速跟踪实际功率需求，同时还要注重提高其工作效率.图2为常用的发动机-发电机组控制策略.

图2 常用的发动机-发电机组控制策略

2 发动机控制策略研究概况

目前，发动机的控制方式主要有定转速功率跟随控制、最佳燃油消耗曲线跟随控制和基于功率需求的多点转速切换控制3种.

2.1 定转速功率跟随控制

定转速功率跟随控制是将发动机固定在某一个特定转速下，仅通过改变发动机扭矩来满足给定的功率需求，来保证车辆正常发挥其机动性能.从控制方面看，由于发动机始终在某特定转速下工作，功率变化过程相对平顺，有利于电压稳定输出，具有操作简单、容易实现等优点.

然而，由于行驶路况复杂，发动机-发电机组需实时跟踪后功率链的功率需求，因此须工作在高转速.负载较小时，需求功率小，而发动机依然工作在高转速，输出功率大，造成燃油经济性损失，且对其工作状态的控制效果变差，整体工作效率降低；车辆突加减速时，为满足功率需求，发动机扭矩将剧烈变化，导致发动机-发电机组超速，产生较大工作噪音，造成不利影响.

因此，该控制策略适用于工况简单或对运行电压和频率有一定特殊要求的普通用电设备及内燃机车上.

2.2 最佳燃油消耗曲线跟随控制

根据发动机万有特性曲线，可得到发动机输出某一功率时所对应的不同转速下的耗油量大小.图3为某型柴油发动机万有特性曲线[8].

图3 某型柴油发动机万有特性曲线

由图3可知，对于发动机输出的每一个功率值，都存在一对应转速，使其在该转速下工作时单位输出功率消耗燃油最少.将所有功率-转速点连在一起即组成最佳燃油消耗曲线(如图4所示).

图4 发动机最佳燃油消耗曲线

由于最佳燃油消耗曲线是一条非线性曲线，将其作为表格写入MATLAB/Simulink，以查表方式作为发动机优化图谱.根据目标输出功率，通过查表获得发动机相应最佳工作转速，调节油门开度使其沿最佳燃油曲线工作.同时，在顶层功率分配中尽量使发动机工作在高效区.

现实中，发动机动态响应较慢，且只能在一定的功率-速度范围内工作，而瞬态功率需求变化快，因此不能满足所有工况下始终跟踪最佳燃油消耗曲线.同时频繁变换发动机的转速也会损失燃油经济性，工作效率降低.

该控制策略可使发动机很好地跟踪功率需求，大大提升发动机燃油经济性，充分发挥电传动优势，在电传动车辆中应用较为广泛.

2.3 基于功率需求的多点转速切换控制

当电传动车辆变速、爬坡及转向等时，瞬时功率需求波动较大，需发动机不断调节输出功率，此时控制其沿最佳燃油曲线工作，则转速不断调整，这种方式难以达到最佳效果.为此设计发动机基于功率需求的多点转速切换控制，即将发动机工作范围划分为几个目标功率区域，如图5所示.每个区域都参照最佳燃油曲线确定发动机在该区域内的目标转速，根据功率需求在不同目标转速间切换.同时，各功率区域间有一定重叠范围，形成滞环带，避免功率需求在转速切换的临界位置变化时，发动机转速频繁切换，提高了工作效率.当发动机在各转速点运行或其之间切换时，为优化其工作区域及确保调速性能，对发电机的目标扭矩进行限幅.

图5 基于功率需求的多点转速切换功率跟随控制

该控制策略结合了前两种控制策略的优点，使发动机尽量沿最佳燃油曲线工作的同时，又能有效避免转速频繁切换.根据功率需求运行在相对经济的区域，减少由转速挡动态变化造成的动态损耗，保证了发动机平稳运行，大大提高了工作效率，在电传动车辆发动机控制中同样应用广泛.

然而，理论上讲，发动机目标功率区域数量的选择以及各功率区域间重叠范围的划定具有一定随意性.因此，根据功率需求合理设定发动机目标工作区域、设计控制算法具有重要意义.同时，也增加控制算法研究的难度和复杂性.

3 发电机-整流器控制策略研究概况

对发电机的控制是基于提升发电机的功率因数，从而减少电机侧变换器的容量和成本，并提高发动机-发电机组运行的可靠性.实际上，控制发电机是通过对整流桥的控制实现的，由于永磁同步发电机采用永磁体励磁，不能通过直接控制励磁控制其运行状态，只能通过PWM整流器控制d轴和q轴电流，来实现对发电机的弱磁或增磁控制，从而控制PWM整流器网侧的运行状态.

常用的发电机-整流器控制方法包括最大扭矩/电流比控制和电压空间矢量控制等.

3.1 最大扭矩/电流比控制

最大扭矩/电流控制是指在一定的扭矩条件下，通过合理配置id、iq以获得最小的定子电流矢量值，即单位安培电流产生的电磁扭矩最大.

扭矩方程为

Te=pn[ψfiq+(Ld-Lq)idiq].

(1)

采用最大扭矩/电流比控制时，电流矢量应满足

(2)

(3)

为便于分析，将扭矩方程用标么值表示得

Te=iqn(1-idn).

(4)

式中:Te为扭矩标么值；idn为直轴电流标么值；iqn为交轴电流标么值.

由此可得交、直轴电流分量与电磁扭矩的关系为

(5)

由式(5)可得到idn、iqn与Te的关系曲线，如图6所示.

图6 最大扭矩/电流关系曲线

最大扭矩/电流比控制，提高了扭矩响应速度，减小了电机铜耗与变换器损耗，提升了系统效率.但其输出电压、电流的谐波较大，输出电压偏低，且开关频率较高时，整流电路损耗加大、效率降低.

3.2 电压空间矢量控制

随着全控型功率器件的发展，PWM技术被广泛用于发电机控制之中，目前永磁同步发电机调速系统大多采用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，其原理是根据整流器电压空间矢量的变换来控制整流桥各功率开关的通断，从而控制整流器输出电流的相位和大小.图7为常用的三相电压型PWM整流电路拓扑图[9]，其由网侧回路、功率开关桥路和直流回路组成.

图7 三相电压型PWM整流电路拓扑图

图中g1～g6为加在功率器件上的驱动信号，ea、eb、ec分别为交流侧三相电压，udc为直流侧电压.

稳态时两相旋转坐标系下d、q分量都是直流分量，因此在选取两相旋转坐标系dq的初始参考轴方向时，通常选择d轴与发电机输出电动势空间矢量重合，则d轴表示有功分量参考轴，q轴表示无功分量参考轴，进而实现了独立控制PWM整流器网侧的有功功率和无功功率.

图7的PWM整流电路中有6个功率开关，稳态工作时，各相对应的上下桥臂有且仅有一个导通，因此三相电压型PWM整流电路共有8种开关状态组合，分别为(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)、(111)，用V0～V7分别表示对应的电压空间矢量.由于V0和V7均为零矢量，因此仅有对称均匀分布在复平面上的非零矢量V1～V6为有效矢量，如图8所示.

图8 电压空间矢量图

两相旋转坐标系中的任一电压空间矢量均可由8个矢量V0～V7中的某些矢量合成.稳态运行时，给定的电压空间矢量在复平面上以某一速度旋转，其端点轨迹近似为六边形外接圆.PWM开关频率越高，六边形外接圆轨迹就越接近圆形，合成的矢量就越逼近给定的电压矢量，从而使网侧输入电流等效为正弦波，实现了控制电流的目的[10].

电压空间矢量控制技术可同时控制交流侧电流和直流侧电压，实现了抑制交流侧输入电流谐波分量、稳定直流侧输出电压，降低了功率开关通态和开关损耗，加快了动态响应速度，提升了网侧功率因数及运行效率，实现了能量的双向流动等.

4 结束语

本研究简要分析了几种常用的发动机-发电机组控制策略，不难发现，这些控制策略大都从降低损耗、提高经济性、改善技术指标等方面进行研究，很少考虑行驶环境对车辆的影响.这是由于大多数车辆行驶于较为平缓的普通路况环境，不需要考虑发动机、发电机之间协调的问题.

而电传动装甲车辆通常行驶环境恶劣、路况复杂多变.在原理样车的复杂路况试验中发现，车辆在急加/减速和负载突变的过程中，发动机-发电机组出现了运行不稳定、甚至发动机熄火的问题.这是由于为保证直流母线电压的稳定，对发电机实行稳压控制，由于发电机动态响应过程较快，响应时间约为毫秒级，而发动机动态响应过程较慢，响应时间约为秒级，发动机与发电机的响应过程不匹配，因此发动机无法在短时间内通过调节转速以快速响应发电机的扭矩需求，导致发动机-发电机组未能达到协调一致.

为此，深入分析研究发动机-发电机组的协调控制策略与算法，提高发动机-发电机组的动态响应速度，保证发动机-发电机组的功率输出能力，对提高车载综合电力系统供电能力与品质，提升电传动车辆运行稳定性，实现整车能量优化管理控制，具有重要的理论指导意义和工程应用价值.