基于环路补偿的增程式发电机组稳压控制策略研究

温之绪,骆志伟,杨金波,赵宏志,夏 欢,段卓琳

(北京航天发射技术研究所, 北京 100076)

0 引 言

特种电驱车辆是增程式电动汽车领域的重要研究方向之一,相较于燃油汽车,其优势在于污染小、噪声低、结构简单、能量转换效率高,具有相当广阔的发展前景[1]。增程式发电机组是增程式电动汽车的主要能量来源,其控制方式普遍采用功率流管理策略。这种能量管理策略通过对多个不同能量来源间的动力进行优化分配,使得动力系统在满足功率输出目标的同时,燃油经济性与排放性也能保持优良状态[2]。然而,功率流管理策略对动力电池高度依赖,需要依靠读取到的电池荷电状态(State of Charge,SOC)值做出下一步决策,一旦动力电池出现问题,增程器的功率响应速度无法与负载功率准确匹配,发电机组无法输出稳定的直流电能,车辆将无法正常行驶。

为规避动力电池存在的风险,采用恒压发电方式以保证输出稳定。这种控制方式通过对发电机控制器输出的直流母线电压进行整流稳压,从而向负载侧供应稳定的直流电能。根据控制对象的不同,稳压控制可以简单分类为原动机转速控制[3]、电压电流双闭环控制[4]以及电压角[5]/负载角[6]控制方式。在工业生产中常用的控制方式是原动机转速控制和电压电流双闭环控制。原动机转速控制方式通常与不控整流相结合,其稳压精度较差,常常需要借助斩波电路辅助稳压,适合于稳压精度要求不高的场合;电压电流双闭环控制通常与PWM可控整流相结合,负载侧电流谐波含量少、直流母线电压精度高,并且可以实现能量的双向流动,在多领域应用广泛。

然而,传统的电压电流双闭环控制方式在抗负载扰动性能方面能力有限,其输出电压随负载变化而产生波动,稳压精度较差,不适合直接应用于恒压发电系统。因此,为增强稳压效果,一些先进的控制算法如滑模控制[7]、模糊控制[8]、模型预测控制[9]等被提出,部分学者亦考虑通过扰动观测器等得到负载变化信息并前馈补偿至电流环以减小负载扰动[10]。这些方法为控制系统稳压精度提升提供了思路,但引入过多参数不适合应用于可靠性需求较高的场合。

文献[11]利用有源阻尼控制提升永磁同步电机鲁棒性与稳态性能。有源阻尼理论一般应用于带LC滤波器驱动电机或风电变流器网侧接口的电流谐波抑制,由于电路的LCL结构会产生固有频率的谐振现象[12],需要额外增加电阻来减弱这一扰动的影响,但电阻的增加意味着损耗的增加,影响系统效率,因此改用控制算法等效增加的虚拟电阻,即在电流环内增加一个控制环路,等效加入电阻后的系统传递函数,实现对电流谐波扰动的抑制。这种控制方式需要引入的参数较少,结合PI控制可以保证系统具有较高的可靠性。

综上,本文参考有源阻尼在滤波器中对谐波扰动的抑制作用,考虑在原有双闭环基础上加入补偿环路,在电压环与电流环之间形成内环,通过控制环路补偿参数减小负载波动带来的影响,这种方式对系统的改动较小,同时能够优化稳压控制效果。由于补偿环路的加入增加了试凑法调节参数的难度,结合发电机组变参数需求,考虑采用基于免疫的粒子群算法(以下简称IPSO)进行参数寻优并仿真验证。仿真结果表明,这种方法能够进一步提升输出电压的稳压精度和动态响应速度,智能算法的加入使得系统鲁棒性也得到提升。

1 恒压发电系统概述

1.1 增程式发电机组构成

增程式电动汽车的结构如图1所示。发电机组由发动机(原动机)、发电机以及发电机控制器组成,这部分由机组控制器作为上位机操控。原动机带动发电机旋转,将机械能转换为电能,再经过发电机控制器整流为直流电输出至负载侧,当发电机组选择恒压控制方式作为发电模式时,动力电池可以不启用,以应对动力电池突发故障的情况。由于发电机控制器替代了动力电池作为电源,为保证车辆能够正常行驶,直流电压的波动应尽量小,即要求具有较高的稳压精度。

图1 增程式电动汽车结构示意图

负载侧主要包括增程式电动汽车的驱动系统与传动结构。直流电能经过电动机控制器逆变为三相交流电能驱动电机,将电能转化为机械能,经过传动系统驱动车辆行驶。

1.2 永磁同步发电机数学模型建立

在控制方案设定之前,需要先建立永磁同步发电机数学模型。永磁同步电机是一个强耦合的非线性系统,需要完成三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换,实现解耦控制。

考虑内置式永磁同步发电机的凸极效应和阻尼电阻,得到定子电压方程:

(1)

式中:uA、uB、uC为三相定子电压;iA、iB、iC为三相定子电流;Rs为定子电阻;ψA、ψB、ψC为三相定子磁链。

为分析发电机的稳态和动态性能,将定子电压方程在d,q坐标系下表示:

(2)

定子磁链方程:

(3)

电磁转矩方程:

(4)

传动方程:

(5)

式中:ψf为永磁体磁链;ωe为转子旋转的电角速度;Ld、Lq分别为直、交轴电感值;p为发电机极对数;TL为负载转矩;J为转动惯量。

1.3 环路补偿式恒压发电原理

环路补偿式恒压发电策略控制框图如图2所示。发动机带动永磁同步发电机转动,切割磁感线产生三相交流电能,经PWM整流桥整流得到直流电能,电容滤波后供给到负载侧。与传统功率流发电方式不同,恒压发电控制策略中发动机的机械转矩在控制系统中提供了电磁转矩的限幅值,而实际的电磁转矩值根据电压调节器输出得到。

图2 环路补偿式恒压发电策略控制框图

根据已有数据,在MATLAB中完成发动机万有特性曲线的绘制,如图3所示。根据外特性曲线,可以得到1 800 r/min条件下,发动机输出机械转矩最大值约500 N·m。由于发电机工作在发电状态下,此时转速为正,输出转矩应为负,因此电磁转矩输出限幅下限值应设置为-500 N·m,从而确保电磁转矩不超出发动机输出转矩的范围。

图3 发动机万有特性曲线

此时,电流误差经电流调节器,再经过坐标变换输入到SVPWM模块,进而得到控制整流桥开关器件通断的PWM控制信号,在电压出现波动时增大或减小PWM占空比,维持负载侧电压值在给定值附近,形成电压闭环,实现恒压发电。

2 恒压发电系统控制器设计

2.1 电流调节器设计

对于交、直轴电流环,其设计思路基本一致,以交轴电流环为例进行设计,电流环输入为交轴电流信号的给定值,输出为交轴电流实际值。结合式(2)和式(3),忽略动态项,可将电机模型近似:

记电流环的采样周期为Ts,延时环节的时间常数为td,并令td=Ts,PWM环节的增益值取1,将延时环节与PWM环节合并,可以得到q轴电流环控制框图,如图4所示。

图4 q轴电流环控制框图

令τi=Kpi/Kii,将PI调节器的传递函数化为零极点形式:

(6)

求出电流环开环传递函数:

(7)

进而求得电流环的闭环传递函数:

(8)

为减少谐波含量,一般采用较高的开关频率,因此采样周期Ts的取值足够小,可以忽略高次项,因此得到电流环闭环传递函数:

(9)

式中:Tci为q轴电流环的时间常数。

结合二阶系统传递函数的标准形式,得到:

(10)

取典型I型系统最佳阻尼比ξ=0.707,从而有:

(11)

根据零极点对消原则设计电流调节器,有:

(12)

结合式(11)、式(12),得到电流调节器参数:

(13)

结合式(9)、式(13),计算出电流环时间常数:

Tci=4Ts

(14)

2.2 电压调节器设计

电压调节器是稳压系统的主导调节器,能够实现直流母线电压较快的跟随电压给定值变化,对于负载变化也具备抗扰作用。电压调节器的输出限幅值决定了发电机允许的最大电磁转矩。

已知电流环传递函数,可以推导出电压外环控制框图,如图5所示。

图5 电压外环控制框图

电压环输入为直流母线电压给定值,输出为电压实际值。环路补偿的引入增加了转矩内环,因此在设计电压调节器之前,需要先得到内环传递函数。

根据式(4),MTPA模块的传递函数:

PWM整流器两侧的瞬时功率近似相等,得到:

(15)

将式(15)与式(2)联立,忽略电机定子电阻损耗,得到交轴电流到负载侧电流的传递函数:

综上,计算得到转矩内环的闭环传递函数:

令τv=Kpv/Kiv,则电压环的开环传递函数:

同样依据零极点对消原则设计电压调节器,有:

最终得到电压外环开环传递函数:

(16)

3 恒压发电系统仿真与特性分析

3.1 仿真模型搭建及结果分析

依据图2的原理图,搭建环路补偿式恒压发电系统Simulink仿真模型。负载侧等效为纯电阻负载,电机输入为原动机转速,以固定步长离散系统仿真,模型参数选择如表1所示。

表1 永磁同步发电机主要参数选择

分别采用传统双闭环恒压控制与环路补偿式恒压控制进行仿真实验,转矩输出限幅值设置为[-20 N·m,500 N·m],仿真时长设定为1 s,在0.5 s时突加13.3 kW负载,得到结果如图6所示。

图6 仿真结果对比

仿真结果表明,传统电压电流双闭环控制方式下电压跌落5.5 V,恢复时间0.18 s;而采用环路补偿控制方式电压跌落降至2.1V,电压波动明显减小,稳压精度提升,恢复时间减小到0.1 s,突加负载扰动后的响应速度也得到了提升。

3.2 系统频率特性分析

传统电压电流双闭环方式下,电压环的开环传递函数如下:

(17)

结合式(16)开环传递函数,在MATLAB中进行系统频率特性分析对比,分别取电流环时间常数τi=0.192 3、电压环时间常数τv=0.9,通过试凑法得到电压调节器参数Kpv=8、Kiv=110,得到结果如图7所示。

图7 环路补偿加入前后开环传递函数伯德图对比

加入环路补偿后,由幅频特性曲线可以看出,系统低频段开环增益明显增大,表明低频段电压的稳态误差更小,具有更强的跟随性能;由相频特性可以看出,系统相位裕度由84.9°降至79°,在不影响系统稳定性的同时,加快响应速度。

4 基于IPSO参数整定

在恒压发电系统中,PI参数整定效果直接影响到系统稳定性、稳压精度及响应时间等系统性能的优劣。采用传统试凑方法整定PI参数,所需时间成本较高,且难以满足发电机组运行过程中参数变化的需要。考虑到环路补偿的引入,提高了参数整定的难度,有必要采用智能控制算法实现PI参数自整定,使系统快速达到目标性能。

本文采用粒子群算法(以下简称PSO)全局优化电压外环、电流环以及环路补偿参数,在此基础上引入免疫算法,解决PSO存在的局部最优问题,使其快速收敛于全局最优值。基于IPSO参数自整定的流程图如图8所示。

图8 基于IPSO参数自整定的流程图

考虑到系统性能优化目标为电压波动和响应时间,同时考虑超调影响,将评价函数设置如下:

(18)

在MATLAB/Simulink平台下完成算法验证,将图5模型运行结果放入工作区,经算法优化后将最优参数输入各个PI控制器,并重新在模型中完成运行,检验算法优化效果。参数选取迭代次数10,种群规模数100,惯性权重设置为1,Kpv、Kiv、Kpi、Kii、Klc对应位置最大值设置为[20,400,200,1 500,5]。分别采用试凑法、PSO及IPSO进行参数整定,并将结果进行比较,其结果如图9所示。

图9 不同参数整定方法结果比较

不同整定方式下系统性能如表2所示。

表2 不同整定方式下系统性能

由图9及表2数据可以看出:传统的试凑法整定参数稳压精度较低,响应时间较长,并且有不小的超调量,电压超调约20 V会给负载带来较大危害;PSO相较于试凑法,在参数优化后系统性能有了一定改善,但全局优化随机性较强,可能陷入局部最优;加入IPSO后系统性能得到较大改善,基本达到预期目标。

5 结 语

针对传统双闭环恒压发电方式下电压波动大、恢复时间长的问题,本文参考有源阻尼抑制电流谐波扰动的方式,在双闭环基础上加入环路补偿,并采用工程设计方式完成发电机控制器参数设计。随后在Simulink平台搭建仿真验证本文方法的有效性,结合频率特性分析环路补偿参数引入对系统性能的影响。仿真结果表明,环路补偿参数对提升电压精度,抑制负载扰动上具有较大作用,下一步可以考虑将该方式应用在实验调试中。

对于环路补偿参数引入对发电机控制器参数整定工作带来的复杂性,考虑加入IPSO实现参数自整定,通过对比试凑法、PSO、IPSO三种方式下参数整定后的系统性能可得,IPSO对系统性能的提升最大,且能够实现参数自整定,满足发电机组变参数需求。