基于PI 控制的内燃动车组柴油机恒功率控制技术

2024-04-02董宇康

控制与信息技术 2024年1期

周杨，董宇康

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

在低运量的情况下，内燃动车组的铁路线投资成本较电气化铁路的大幅降低，车辆造价和运营成本亦较交流传动动车组的低，且柴油动力车不会因为输电系统的问题而造成系统性瘫痪，因此在严寒多雪地区获得较广泛采用。

然而，当内燃动车组频繁加速和减速时，柴油机不但会增加额外的能量消耗，而且当柴油机在非恒功率输出时，其燃料燃烧可能不充分，导致燃料效率降低；同时，可能会产生较大的机械应力，导致机械部件的磨耗和损坏。因此，保持柴油机的恒功率输出可降低其能源消耗，从而提高内燃动车组的运行经济性。

为保障柴油机功率输出平衡，需要进行负载功率的动态匹配调节。内燃动车组牵引传动系统作为柴油机负载，通常采用交-直-交主电路拓扑［1-2］，其通过对电机牵引功率、车载辅助设备功率及冷却系统功率的动态调整和精确控制，可实现对内燃动车组柴油发电机组功率输出的动态跟踪及动车组性能的稳定发挥。文献［3］对柴油机的恒功率控制进行了研究，给出了变量泵恒功率控制原理图和恒功率控制特性曲线，通过变量泵的灵敏调节使柴油机的功率得到充分利用。文献［4］对负载输出柴油机与恒功率脉冲负载系统进行了仿真建模分析，研究了负载输出参数对柴油机功率的影响。文献［5］提出一种柴油机输出功率控制方法，其通过预设的参数计算目标输出功率，并基于当前功率来调节柴油机输出功率以达到目标功率。但上述相关研究均是针对柴油机输出的直接调节或仅对系统进行建模功能仿真，而柴油机输出控制表征的是电源供电能力，需与负载进行匹配性控制以达到供需平衡才能保障系统的可靠运行。

负载侧的功率需求决定了柴油机的输出功率特性，负载恒功率控制能更直观体现内燃动车组牵引系统功率分配原理。本文根据内燃动车组牵引传动系统的电路原理，对其功率分配及控制方法进行阐述，并基于内燃柴油发电机组恒功率运行的电源模式，提出了比例-积分控制方法，实现负载侧牵引系统功率稳定跟随柴油发电机组的输出功率目标值，通过负载侧恒功率运行保障发电机组的恒功率稳定输出，并进行了测试验证。

1 内燃动车组牵引系统工作原理及其恒功率控制过程

内燃动车组通常采用动力分散配置，即多台柴油发电机分别驱动多套牵引传动系统。为提高故障冗余性，车载辅助负载通过列车三相母线进行集中供电，辅助逆变器被集成在牵引传动系统中。柴油机带动发电机发电后，其功率中大部分提供给牵引电机输出牵引功率，驱动列车以设计运营速度运行；另一部分则提供给车载辅助设备，如冷却风扇、压缩机、生活用电装置及空调等，以保障大功率设备的冷却及乘客的舒适乘车体验。由于辅助设备所需能量是根据负载情况无规律地动态变化的，通常需要通过动态调节牵引功率来实现柴油机的恒功率输出［6-7］。

内燃动车组牵引系统框图见图1，其主要工作原理为：在牵引工况下，柴油机拖动主发电机恒功率输出三相交流电源，通过三相二极管整流器输出直流电压对中间直流回路的支撑电容充电；中间电压经过牵引逆变器转换为频率和电压可调的三相电源供给牵引电机，实现列车运行［8］；同时，辅助变流器将来自牵引系统中间直流回路的电压变换为动车组辅助系统使用的三相交流电。整列车多个辅助变流器输出的三相交流电采用母线并网供电。

图1 内燃动车组整车牵引系统框图Fig.1 Block diagram of traction system for DMU

为了保证柴油机以最经济的方式高效稳定运行在恒功率区间，在进行牵引系统设计时，会综合考虑柴油机每个手柄挡位下的转速和功率，以及牵引系统效率，并考虑动车组辅助功率的最小工作需求，以确定各挡位下牵引电机的最大输出功率。即设计的负载最大功率大于柴油机最大功率，通过牵引功率动态调节，实现柴油机总负载满足柴油机恒功率输出要求，从而实现柴油机恒功率运行目标［9-11］。

在全制式调速器控制下，当挡位确定时，如果施加于柴油机的负载功率始终小于柴油机最大供油时的功率，则柴油机依靠全制调速器自动调节供油量，使柴油机功率符合负载功率需求，柴油机转速维持稳定；但当负载功率达到和超过最大供油量的功率时，柴油机将无法维持需求功率输出，导致转速下行，不能正常工作。为此，为保证柴油机恒功率稳定运行及异常工况下的快速恢复，控制系统需根据柴油机负载率实时进行功率闭环控制，以避免柴油机负载率过高导致的工作异常。

基于柴油机负载率和效率曲线考虑，内燃动车组牵引系统通常会根据手柄挡位来确定柴油机初始目标功率，同时根据柴油机转速对柴油发电机组初始目标功率PICE()t进行限幅，以避免挡位切换过程中目标功率超限。

式中：gL——手柄挡位；nICE——柴油机转速；P(gL)——手柄挡位与柴油发电机组初始目标功率间的映射关系；P(nICE)——柴油机转速与柴油发电机组实时目标功率间的函数关系，拟合曲线接近线性。

柴油发电机组功率与牵引挡位、柴油发电机组功率与柴油机转速间的典型函数关系如图2 所示。从图中可见，手柄挡位与柴油发电机组的目标功率和额定功率均呈正相关关系。

图2 柴油机功率与牵引挡位及柴油机转速的关系示意图Fig.2 Relationship diagrams of diesel power with traction gear and diesel speed

根据牵引系统电路原理可知，柴油机实时负载功率可通过中间直流回路的中间直流电压与中间直流电流相乘计算得到，其分为牵引电机功率和辅助负载功率。

式中：PRT——发动机实时负载功率；Ud——中间直流电压；Id——中间直流电流；PMT——牵引电机功率；PAPU——辅助负载功率。

辅助负载功率受动车组设备运行需求影响而小幅波动，无法进行主动功率调节。因此，在进行柴油发电机组恒功率控制中，通常对牵引电机功率进行闭环调节。

内燃动车组牵引电机控制采用直接转矩控制，随着电机转速的提高，电机功率同步提升，通过控制转矩可调节电机输出功率。而在工程应用中，综合柴油机目标功率及牵引电机本身的最大设计功率限制，会预设牵引电机特性包络线作为电机输出转矩的上限，当转速一定时，直接转矩限制等价于功率限制。通过调节牵引电机功率限值，可实现内燃柴油机恒功率输出。

2 PI控制算法

在动车组运行过程中，司机操作引入的牵引挡位切换和牵引/制动工况转换、柴油机调速过程的速度波动、辅助负载跟随环境变化的自动调节、故障情况下的冗余切换等因素都会引入电源端或负载端的功率变化，需及时调整牵引电机输出功率以接近柴油机恒功率值，并确保调节过程中尽可能少地出现超调，以防止柴油机过载引起电源端功率波动叠加负载端功率波动甚至柴油机停机。

为实现内燃动车组柴油机组恒功率输出的稳定性及可靠性，本文基于实时负载功率的不规则扰动特性，提出了一种PI控制算法，其既可有效约束控制量输出突变及抑制超调，又能提升控制的稳定性及可靠性。PI控制原理如图3所示，其在恒功率PI控制的基础上，通过牵引电机功率的前馈控制抑制超调，同时设置负载功率波动抑制环节及挡位变化的主动干预控制，实现输出功率的稳定调节。

2.1 负载功率波动抑制

在牵引系统实时负载功率的扰动及变化过程中，为了抑制误差波动及恒功率控制器调制过快可能引起的柴油机运转不顺畅，在PI控制算法中设计了控制误差跟随限幅函数：

式中：err(k)——恒功率控制误差；PICE——柴油发电机组目标功率；PRT——负载侧实时功率；ηp——根据柴油发电机组目标功率设定的正误差限值；ηN——根据柴油发电机组目标功率设定的负误差限值。

通过误差限幅的动态调整，限幅PI 输出，以实现控制误差波动的约束及控制器的稳定输出。当负载实际功率接近或大于柴油发电机组目标功率时，为避免功率超调、抑制功率波动幅度，ηp设置为最小值。

2.2 挡位变化主动干预

柴油机提速时特性较软的原因包括燃油喷射系统的限制、供油系统的供油量限制、进气系统和喷油系统对进气压力和温度变化的敏感性以及燃烧室和气缸的磨损等。因此，在柴油机提速时，需注意避免负载增加过快的情况出现，以免造成柴油机憋转速、输出功率提不上去的问题。如当手柄挡位上升时，在一定时间内，抑制PI 输出功率的增加步长，以抑制牵引功率增长，待柴油机提速后再提升牵引功率。

2.3 牵引电机功率实时监测

设电机功率系数为电机实时功率与设计额定功率的比值。PI控制算法通过功率系数动态捕捉及前馈控制，可实现负载功率与柴油机目标功率的可靠跟随，其过程如下：

式中：ηICE——柴油发电机组目标功率预设参数，0.9 ≤ηICE≤1；ηs——PI 控制前馈切换参数；——PI 牵引力调节值；nMT——牵引电机转速；PMT——手柄挡位对应的设计额定功率。

PI 控制算法的约束条件为：当发动机实时负载功率大于柴油发电机组目标功率预设值时，在一定时间内将PI 控制输出限幅为当前电机功率系数动态切换值，控制实时负载功率在柴油机目标功率预设值附近达到稳态；当实时负载功率大于预设值后，再向上抬升直至柴油发电机组功率目标值，以实现快速调节及抑制超调。

2.4 恒功率PI控制

在内燃动车组牵引系统实际设计中，不同挡位的牵引电机特性包络线不同，一般挡位越高，牵引特性恒功率值越高，如图4所示。而不同速度、不同挡位下，同样的牵引力变化导致的功率变化差异很大，参数难以整定。为实现不同挡位恒功率控制效果的一致性，控制器输出先直接进行功率调节，再根据电机机械功率与牵引力和电机速度的正相关关系，间接实现牵引力控制（而非直接进行牵引力控制）。

图4 牵引电机挡位-功率曲线示意图Fig.4 Traction motor gear -power curves

因柴油机为恒功率输出模式，为匹配柴油机因转速、挡位变化的功率调节能力，对控制器输出设定功率进行步长限制，并根据柴油机实际特性调整步长参数，如式（5）所示。

式中：ΔfMT——PI 功率调节系数；kP——PI 比例系数；kI——PI 积分系数；——PI 功率调节系数限幅值；——PI 功率调节值；Pmax——设计额定功率。

3 测试验证

3.1 仿真测试验证

选取我国出口阿联酋内燃动车组典型电路拓扑搭建dSPACE 半实物仿真测试系统，包括被测牵引控制系统（即控制机箱，为集成PI 控制算法软件工作环境）、牵引系统实时仿真及测试系统和上位机工作站，如图5所示。被测控制机箱作为控制算法软件载体，仿真系统用于运行牵引系统数学仿真模型（包括主电路模型、电机模型及通信模型等）、模拟牵引系统运行环境，上位机用于模拟司控台。图6为模拟牵引挡位逐级提升、逐级下降、满挡位切换时的运行过程记录，图7为模拟满挡位加速运行时的运行过程记录。由图6 和图7 可见，内燃发电机组目标功率随牵引挡位变化而变化，牵引系统实时负载功率跟随目标功率抬升或下降，并在一定时间后稳定在目标功率，稳态偏差在±2%以内，验证了本文所提出的算法可实现不同挡位的恒功率跟随及切换控制，且全速加速运行过程中，恒功率控制稳定。