永磁同步柴油發電機組轉速控制策略

周奇勛，曹世宏，寧 濤

(1.總后勤部建筑工程研究所，西安710032;2.西安科技大學，西安710054)

0 引 言

傳統柴油發電機組輸出的電能直接供用戶使用，供電質量較低，對負載適應性差。發電機在空載和輕負荷情況下，柴油機依然保持全速運行，大大增加了燃油的損耗和對環境的污染，降低了機組使用壽命［1－2］。若將柴油發電機發出的交流電整流成直流再通過逆變技術逆變為交流電壓，雖然機組輸出電源質量有所提高，但對于發電機來說，負載為整流性負載，功率因數低，功率損耗較大［2－3］。

基于上述情況，提出一種節能控制方案，使柴油機可根據負載功率確定最節能轉速，同時通過發動機冷卻液溫度等參數對柴油機轉速進行修正［4］。這種工作方式能夠保證機組始終工作在高效率區，提高燃油利用率，降低發電機磨損，同時減少對環境的污染，順應當代節能和環保這一主題［5］。

1 節能控制方案

柴油發動機帶動發電機輸出的交流電，經整流器把交流電轉換成脈動電壓后，將所得脈動電壓進行升壓處理，得到恒定的直流電壓，再經過逆變技術得到符合用電標準的工頻交流電。其系統拓撲如圖1 所示。

圖1 系統拓撲結構

其中，柴油發動機為YC6M220－20(M3000)，其最大功率為162 kW，額定轉速2 200 r/min。整流部分采用簡單、功耗小的橋式不控整流模式。升壓電路采用Boost－TL 變換器，它是一種將輸入電壓升高的非隔離直直變換器。

為了使逆變器逆變得到符合使用要求的標準工頻交流電，需要符合要求的直流電壓，即逆變器的輸入電壓值應大于等于工頻交流電的峰值電壓［6］。若整流器輸出的直流電不經過升壓處理，發動機必須提高轉速才能達到逆變電壓的要求，這樣就增加了發動機的油耗。

Boost 升壓電路可以通過開關管的占空比控制升壓變換器的輸出電壓。當發電機輸出的電壓值較低時，增大開關管的占空比即可提高Boost 電路的輸出電壓值。針對發電機不同轉速輸出的不同電壓值，實時調整Boost 升壓開關管的占空比，得到穩定且足夠高的逆變電壓［7］。因此，柴油發動機的轉速調節無需考慮直流電壓，而是根據不同的負載功率，工作在最節能的轉速狀態，可以使發動機的油耗最低，達到節能的目的。

2 節能模型構建

根據柴油發動機的萬有特性曲線，可以看出發動機在各種工況下的經濟性。最內層的等油耗曲線相當于最經濟的區域，曲線越向外，經濟性越差。柴油發動機YC6M220－20(M3000)的萬有特性曲線如圖2 所示［2］。

圖2 YC6M220－20(M3000)萬有特性曲線

根據圖2，找出柴油發動機在一定功率輸出時的最經濟工況(轉速和負荷)。對各功率下最經濟工況運行的轉速及其對應的功率進行擬合，便得到“最小燃油消耗特性”，擬合曲線如圖3 所示。

圖3 柴油發動機最小燃油消耗特性曲線

由此可得，柴油發動機輸出功率Pe和此功率下燃油消耗率最小運行轉速n 之間具有如下關系:

柴油發動機工作時，活塞、氣缸套等零部件與高溫燃氣接觸而具有相當高的溫度，若不對其進行有效的冷卻，會引起發動機零部件的機械強度下降，發生變形及過早的發生磨損等一系列問題。此外，燃燒室溫度過高將使燃燒過程惡化，導致柴油發動機功率下降。柴油發動機冷卻系統中，散熱風扇由發動機曲軸帶輪通過V 帶驅動，受發動機轉速的制約。發動機低速大負荷時溫度高，當發動機溫度超過允許值時，需要提高風扇轉速以加強散熱，即需要適當提高發動機轉速來改善發動機溫度狀況。風扇轉速nf隨發動機冷卻液溫度的變化關系如圖4 所示。

圖4 風扇轉速隨發動機水溫的變化

由圖4 可得，風扇轉速nf和發動機冷卻液溫度Tm滿足:

永磁同步發電機在運行過程中，自身的損耗主要包括定子銅損、鐵損、電氣附加損耗、機械損耗幾個部分。各種損耗基本都變成熱能，其中一部分由冷卻介質帶走，余下的部分則使電機的溫度升高。如果發電機自身損耗太大，會使發電機溫度過高，降低發電機運行的穩定性及效率。

式中:C，a，b，c 均為常數;n 為發動機轉速;nT為iT對應的臨界轉速值。因此，發動機轉速的小于臨界值時，電感電流值大于iT，它的電感量會發生變化，這是由磁性材料的物理特性決定的。當電感量減小較多時，將使升壓電路不能正常工作。而且，發動機轉速過小，流經電感的電流值較大，會產生較大的電流尖峰，導致系統輸出的電能質量變差。

3 節能控制策略

綜合上述柴油發電機組的節能模型，提出柴油發動機的節能控制策略:

式中:K1，K2，K3為比例系數。發動機運行轉速主要依據兩方面的因素:一是負載大小，主要通過負載功率的反饋，決定電站變速運行時的工作點;二是冷卻液溫度，通過發動機冷卻液溫度的反饋，對電站運行工作點進行修正，以確保系統工作在更為安全的狀態。

當發動機冷卻液溫度低于設定值時，K1=1，K2=0，K3=0;當發動機冷卻液溫度較高時，增大K2;當發電機、整流器溫度過高時，增大系數K3。即在滿足發動機冷卻水溫度、發電機溫升、整流器溫升、升壓電感飽和特性和負載特性的前提下，盡可能降低發電機組的運行轉速，以最大限度節約燃油。

發電機轉速的控制首先通過負載功率的反饋，決定發電機燃油消耗率最低的轉速;其次通過發動機冷卻液溫度、發電機溫度、整流器溫度等的反饋，對發動機運行的轉速進行修正，以確保發動機運行在更為安全可靠的狀態。節能控制系統結構如圖5所示，逆變器內部檢測系統的電壓電流，分析當前輸出的功率，根據當前輸出功率，向調速控制模塊發送速度指令，進而調節發動機轉速。

圖5 節能控制系統結構框圖

發動機的轉速控制采用PID 控制方式，其閉環控制原理如圖6 所示。

Boost 升壓電路要求升壓得到穩定的電壓值，采用PID 控制方式實現。Boost 升壓電路根據反饋電壓實時輸出不同占空比的PWM 波形，以快速響應負載變化，適時調節Boost 電壓，保證母線電壓的穩定。

圖6 發動機轉速控制原理

4 系統的建模與仿真

為了驗證系統理論的正確性和可行性，本設計運用MATLAB 建立模型并進行仿真，擬在仿真的基礎上，對整個系統的特性和工作極限等進行研究，并對控制策略進行驗證。

根據發電機的輸出特性，本文將發電機繞組簡化為三相交流電源，三相電源的連接方式為Y 型連接。三相四線電源通過設置參數改變每相輸出電壓幅值以及頻率，模擬變速發電機組在不同轉速下的輸出電壓波形。發電機組的仿真模型如圖7 所示。

圖7 發電機組模型及參數

整流升壓電路仿真模型如圖8 所示，仿真結構由主電路和控制兩部分組成，其中控制機構采用閉環控制。閉環控制結構采用PID 控制方式。PID 控制中，PWM 占空比指令產生機制如圖9 所示。

圖8 整流升壓電路仿真模型

圖9 PWM 發生器仿真模型

由于發電機輸出電壓、頻率與發電機轉速呈線性關系，由此可得發電機不同轉速下對應的輸出電壓、頻率值。改變負載，根據節能模型求得各個負載功率對應燃油消耗率最低轉速nPe(假定此時K1=1，K2=0，K=0)，改變三相電源參數為nPe下的輸出電壓、頻率值，模擬不同負載條件下的工況。

此外，在本仿真模型中，測定三相交流電源的功率因數，衡量本方案永磁同步發電機效率。其中，功率因數計算模塊Calculator 如圖10 所示。

圖10 功率因數計算模塊

在不同的負載條件下，以節能模型確定轉速運行時的不同頻率、幅值的電壓，經整流升壓電路后均可得到穩定的750 V 直流電壓值。且由仿真模型功率因數計算模塊Calculator 測得的功率因數Pf值可達0.95。

負載功率Pe、模擬發電機轉速n、功率因數Pf、Boost 升壓電路輸出電壓U 隨時間t 的變化情況分別如圖11 ～圖14 所示。

圖11 Pe -t 變化關系曲線

圖12 n-t 變化關系曲線

圖13 U-t 變化關系曲線

圖14 Pf -t 變化關系曲線

上述仿真結果表明，在不同的負載條件下，由節能模型確定的轉速下經整流升壓電路可得到較高且穩定的電壓值，滿足逆變器輸入電壓要求;同時功率因數值可達0.95，發電機利用率高。系統控制算法正確，驗證了方案的可行性。

5 系統試驗

5.1 空載性能試驗

空載條件下，對升壓系統輸出的電壓電流進行捕獲，得到如圖15 所示波形。從圖15 中可以看出，Boost 輸出電壓和電感電流波形基本保持穩定，單側母線電壓為375 ±5 V，正負母線電流分別為2.17 A，－3.11 A。

圖15 空載升壓系統輸出電壓電流波形

5.2 帶載性能實驗

系統試驗中在加滿載時，經過升壓子系統的電流波形及輸出的電壓波形如圖16 所示。正負母線電流波形，根據升壓電路的工作原理，由于升壓過程中功率管的斬波，使得電流波形呈現出波動。與空載試驗結果對比，電流在負載增大的工況下波動幅值增加;輸出母線電壓在滿載工況下與空載情況基本相同，能夠保持恒定的電壓輸出。

圖16 帶載工況升壓子系統電壓電流波形

突加載試驗要求升壓子系統的輸出電壓穩定在恒定值，即在負載突變的工況下，升壓子系統能進行自適應控制。圖17 為滿載突加試驗波形，加載過程中，由于負載增加，電路中的電流會突增，但Boost輸出電壓穩定，正負母線電感電流均衡，并在負載突變時，輸出電壓突變小于30 V，穩定時間200 ms，可以滿足后級逆變對輸入電壓的要求。

圖17 突然加載升壓子系統電壓電流變化波形

上述實驗可以表明，在負載狀況不同的情況下，經Boost 升壓可得到穩定的輸出電壓，系統性能穩定、控制策略合理，可以實現負載突變情況下穩定工作。

6 結 語

從傳統柴油機對外界用電設備的適應性較差這一缺陷出發，研究配備“發電－恒壓－逆變”型柴油發電機組，使其可根據負載功率調節柴油機的轉速，同時根據發動機冷卻水溫度等信號對轉速控制進行修正，使機組始終工作在高效率可靠狀態，達到節能的目的。本文主要研究了逆變器前級的整流升壓部分，它是逆變得到符合用電標準的工頻交流電的前提和基礎，具有重要意義。

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