基于環路補償的增程式發電機組穩壓控制策略研究

溫之緒,駱志偉,楊金波,趙宏志,夏 歡,段卓琳

(北京航天發射技術研究所, 北京 100076)

0 引 言

特種電驅車輛是增程式電動汽車領域的重要研究方向之一,相較于燃油汽車,其優勢在于污染小、噪聲低、結構簡單、能量轉換效率高,具有相當廣闊的發展前景[1]。增程式發電機組是增程式電動汽車的主要能量來源,其控制方式普遍采用功率流管理策略。這種能量管理策略通過對多個不同能量來源間的動力進行優化分配,使得動力系統在滿足功率輸出目標的同時,燃油經濟性與排放性也能保持優良狀態[2]。然而,功率流管理策略對動力電池高度依賴,需要依靠讀取到的電池荷電狀態(State of Charge,SOC)值做出下一步決策,一旦動力電池出現問題,增程器的功率響應速度無法與負載功率準確匹配,發電機組無法輸出穩定的直流電能,車輛將無法正常行駛。

為規避動力電池存在的風險,采用恒壓發電方式以保證輸出穩定。這種控制方式通過對發電機控制器輸出的直流母線電壓進行整流穩壓,從而向負載側供應穩定的直流電能。根據控制對象的不同,穩壓控制可以簡單分類為原動機轉速控制[3]、電壓電流雙閉環控制[4]以及電壓角[5]/負載角[6]控制方式。在工業生產中常用的控制方式是原動機轉速控制和電壓電流雙閉環控制。原動機轉速控制方式通常與不控整流相結合,其穩壓精度較差,常常需要借助斬波電路輔助穩壓,適合于穩壓精度要求不高的場合;電壓電流雙閉環控制通常與PWM可控整流相結合,負載側電流諧波含量少、直流母線電壓精度高,并且可以實現能量的雙向流動,在多領域應用廣泛。

然而,傳統的電壓電流雙閉環控制方式在抗負載擾動性能方面能力有限,其輸出電壓隨負載變化而產生波動,穩壓精度較差,不適合直接應用于恒壓發電系統。因此,為增強穩壓效果,一些先進的控制算法如滑?？刂芠7]、模糊控制[8]、模型預測控制[9]等被提出,部分學者亦考慮通過擾動觀測器等得到負載變化信息并前饋補償至電流環以減小負載擾動[10]。這些方法為控制系統穩壓精度提升提供了思路,但引入過多參數不適合應用于可靠性需求較高的場合。

文獻[11]利用有源阻尼控制提升永磁同步電機魯棒性與穩態性能。有源阻尼理論一般應用于帶LC濾波器驅動電機或風電變流器網側接口的電流諧波抑制,由于電路的LCL結構會產生固有頻率的諧振現象[12],需要額外增加電阻來減弱這一擾動的影響,但電阻的增加意味著損耗的增加,影響系統效率,因此改用控制算法等效增加的虛擬電阻,即在電流環內增加一個控制環路,等效加入電阻后的系統傳遞函數,實現對電流諧波擾動的抑制。這種控制方式需要引入的參數較少,結合PI控制可以保證系統具有較高的可靠性。

綜上,本文參考有源阻尼在濾波器中對諧波擾動的抑制作用,考慮在原有雙閉環基礎上加入補償環路,在電壓環與電流環之間形成內環,通過控制環路補償參數減小負載波動帶來的影響,這種方式對系統的改動較小,同時能夠優化穩壓控制效果。由于補償環路的加入增加了試湊法調節參數的難度,結合發電機組變參數需求,考慮采用基于免疫的粒子群算法(以下簡稱IPSO)進行參數尋優并仿真驗證。仿真結果表明,這種方法能夠進一步提升輸出電壓的穩壓精度和動態響應速度,智能算法的加入使得系統魯棒性也得到提升。

1 恒壓發電系統概述

1.1 增程式發電機組構成

增程式電動汽車的結構如圖1所示。發電機組由發動機(原動機)、發電機以及發電機控制器組成,這部分由機組控制器作為上位機操控。原動機帶動發電機旋轉,將機械能轉換為電能,再經過發電機控制器整流為直流電輸出至負載側,當發電機組選擇恒壓控制方式作為發電模式時,動力電池可以不啟用,以應對動力電池突發故障的情況。由于發電機控制器替代了動力電池作為電源,為保證車輛能夠正常行駛,直流電壓的波動應盡量小,即要求具有較高的穩壓精度。

圖1 增程式電動汽車結構示意圖

負載側主要包括增程式電動汽車的驅動系統與傳動結構。直流電能經過電動機控制器逆變為三相交流電能驅動電機,將電能轉化為機械能,經過傳動系統驅動車輛行駛。

1.2 永磁同步發電機數學模型建立

在控制方案設定之前,需要先建立永磁同步發電機數學模型。永磁同步電機是一個強耦合的非線性系統,需要完成三相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的轉換,實現解耦控制。

考慮內置式永磁同步發電機的凸極效應和阻尼電阻,得到定子電壓方程:

(1)

式中:uA、uB、uC為三相定子電壓;iA、iB、iC為三相定子電流;Rs為定子電阻;ψA、ψB、ψC為三相定子磁鏈。

為分析發電機的穩態和動態性能,將定子電壓方程在d,q坐標系下表示:

(2)

定子磁鏈方程:

(3)

電磁轉矩方程:

(4)

傳動方程:

(5)

式中:ψf為永磁體磁鏈;ωe為轉子旋轉的電角速度;Ld、Lq分別為直、交軸電感值;p為發電機極對數;TL為負載轉矩;J為轉動慣量。

1.3 環路補償式恒壓發電原理

環路補償式恒壓發電策略控制框圖如圖2所示。發動機帶動永磁同步發電機轉動,切割磁感線產生三相交流電能,經PWM整流橋整流得到直流電能,電容濾波后供給到負載側。與傳統功率流發電方式不同,恒壓發電控制策略中發動機的機械轉矩在控制系統中提供了電磁轉矩的限幅值,而實際的電磁轉矩值根據電壓調節器輸出得到。

圖2 環路補償式恒壓發電策略控制框圖

根據已有數據,在MATLAB中完成發動機萬有特性曲線的繪制,如圖3所示。根據外特性曲線,可以得到1 800 r/min條件下,發動機輸出機械轉矩最大值約500 N·m。由于發電機工作在發電狀態下,此時轉速為正,輸出轉矩應為負,因此電磁轉矩輸出限幅下限值應設置為-500 N·m,從而確保電磁轉矩不超出發動機輸出轉矩的范圍。

圖3 發動機萬有特性曲線

此時,電流誤差經電流調節器,再經過坐標變換輸入到SVPWM模塊,進而得到控制整流橋開關器件通斷的PWM控制信號,在電壓出現波動時增大或減小PWM占空比,維持負載側電壓值在給定值附近,形成電壓閉環,實現恒壓發電。

2 恒壓發電系統控制器設計

2.1 電流調節器設計

對于交、直軸電流環,其設計思路基本一致,以交軸電流環為例進行設計,電流環輸入為交軸電流信號的給定值,輸出為交軸電流實際值。結合式(2)和式(3),忽略動態項,可將電機模型近似:

記電流環的采樣周期為Ts,延時環節的時間常數為td,并令td=Ts,PWM環節的增益值取1,將延時環節與PWM環節合并,可以得到q軸電流環控制框圖,如圖4所示。

圖4 q軸電流環控制框圖

令τi=Kpi/Kii,將PI調節器的傳遞函數化為零極點形式:

(6)

求出電流環開環傳遞函數:

(7)

進而求得電流環的閉環傳遞函數:

(8)

為減少諧波含量,一般采用較高的開關頻率,因此采樣周期Ts的取值足夠小,可以忽略高次項,因此得到電流環閉環傳遞函數:

(9)

式中:Tci為q軸電流環的時間常數。

結合二階系統傳遞函數的標準形式,得到:

(10)

取典型I型系統最佳阻尼比ξ=0.707,從而有:

(11)

根據零極點對消原則設計電流調節器,有:

(12)

結合式(11)、式(12),得到電流調節器參數:

(13)

結合式(9)、式(13),計算出電流環時間常數:

Tci=4Ts

(14)

2.2 電壓調節器設計

電壓調節器是穩壓系統的主導調節器,能夠實現直流母線電壓較快的跟隨電壓給定值變化,對于負載變化也具備抗擾作用。電壓調節器的輸出限幅值決定了發電機允許的最大電磁轉矩。

已知電流環傳遞函數,可以推導出電壓外環控制框圖,如圖5所示。

圖5 電壓外環控制框圖

電壓環輸入為直流母線電壓給定值,輸出為電壓實際值。環路補償的引入增加了轉矩內環,因此在設計電壓調節器之前,需要先得到內環傳遞函數。

根據式(4),MTPA模塊的傳遞函數:

PWM整流器兩側的瞬時功率近似相等,得到:

(15)

將式(15)與式(2)聯立,忽略電機定子電阻損耗,得到交軸電流到負載側電流的傳遞函數:

綜上,計算得到轉矩內環的閉環傳遞函數:

令τv=Kpv/Kiv,則電壓環的開環傳遞函數:

同樣依據零極點對消原則設計電壓調節器,有:

最終得到電壓外環開環傳遞函數:

(16)

3 恒壓發電系統仿真與特性分析

3.1 仿真模型搭建及結果分析

依據圖2的原理圖,搭建環路補償式恒壓發電系統Simulink仿真模型。負載側等效為純電阻負載,電機輸入為原動機轉速,以固定步長離散系統仿真,模型參數選擇如表1所示。

表1 永磁同步發電機主要參數選擇

分別采用傳統雙閉環恒壓控制與環路補償式恒壓控制進行仿真實驗,轉矩輸出限幅值設置為[-20 N·m,500 N·m],仿真時長設定為1 s,在0.5 s時突加13.3 kW負載,得到結果如圖6所示。

圖6 仿真結果對比

仿真結果表明,傳統電壓電流雙閉環控制方式下電壓跌落5.5 V,恢復時間0.18 s;而采用環路補償控制方式電壓跌落降至2.1V,電壓波動明顯減小,穩壓精度提升,恢復時間減小到0.1 s,突加負載擾動后的響應速度也得到了提升。

3.2 系統頻率特性分析

傳統電壓電流雙閉環方式下,電壓環的開環傳遞函數如下:

(17)

結合式(16)開環傳遞函數,在MATLAB中進行系統頻率特性分析對比,分別取電流環時間常數τi=0.192 3、電壓環時間常數τv=0.9,通過試湊法得到電壓調節器參數Kpv=8、Kiv=110,得到結果如圖7所示。

圖7 環路補償加入前后開環傳遞函數伯德圖對比

加入環路補償后,由幅頻特性曲線可以看出,系統低頻段開環增益明顯增大,表明低頻段電壓的穩態誤差更小,具有更強的跟隨性能;由相頻特性可以看出,系統相位裕度由84.9°降至79°,在不影響系統穩定性的同時,加快響應速度。

4 基于IPSO參數整定

在恒壓發電系統中,PI參數整定效果直接影響到系統穩定性、穩壓精度及響應時間等系統性能的優劣。采用傳統試湊方法整定PI參數,所需時間成本較高,且難以滿足發電機組運行過程中參數變化的需要?？紤]到環路補償的引入,提高了參數整定的難度,有必要采用智能控制算法實現PI參數自整定,使系統快速達到目標性能。

本文采用粒子群算法(以下簡稱PSO)全局優化電壓外環、電流環以及環路補償參數,在此基礎上引入免疫算法,解決PSO存在的局部最優問題,使其快速收斂于全局最優值?；贗PSO參數自整定的流程圖如圖8所示。

圖8 基于IPSO參數自整定的流程圖

考慮到系統性能優化目標為電壓波動和響應時間,同時考慮超調影響,將評價函數設置如下:

(18)

在MATLAB/Simulink平臺下完成算法驗證,將圖5模型運行結果放入工作區,經算法優化后將最優參數輸入各個PI控制器,并重新在模型中完成運行,檢驗算法優化效果。參數選取迭代次數10,種群規模數100,慣性權重設置為1,Kpv、Kiv、Kpi、Kii、Klc對應位置最大值設置為[20,400,200,1 500,5]。分別采用試湊法、PSO及IPSO進行參數整定,并將結果進行比較,其結果如圖9所示。

圖9 不同參數整定方法結果比較

不同整定方式下系統性能如表2所示。

表2 不同整定方式下系統性能

由圖9及表2數據可以看出:傳統的試湊法整定參數穩壓精度較低,響應時間較長,并且有不小的超調量,電壓超調約20 V會給負載帶來較大危害;PSO相較于試湊法,在參數優化后系統性能有了一定改善,但全局優化隨機性較強,可能陷入局部最優;加入IPSO后系統性能得到較大改善,基本達到預期目標。

5 結 語

針對傳統雙閉環恒壓發電方式下電壓波動大、恢復時間長的問題,本文參考有源阻尼抑制電流諧波擾動的方式,在雙閉環基礎上加入環路補償,并采用工程設計方式完成發電機控制器參數設計。隨后在Simulink平臺搭建仿真驗證本文方法的有效性,結合頻率特性分析環路補償參數引入對系統性能的影響。仿真結果表明,環路補償參數對提升電壓精度,抑制負載擾動上具有較大作用,下一步可以考慮將該方式應用在實驗調試中。

對于環路補償參數引入對發電機控制器參數整定工作帶來的復雜性,考慮加入IPSO實現參數自整定,通過對比試湊法、PSO、IPSO三種方式下參數整定后的系統性能可得,IPSO對系統性能的提升最大,且能夠實現參數自整定,滿足發電機組變參數需求。