內燃直線發電系統雙向功率變換器研究與設計

摘 要： 自由活塞式內燃直線發電系統是一種新型集成混合動力系統，在系統啟動到穩定運行過程中，功率流經由BDPC在發電單元與儲能單元之間雙向流動，且在兩個方向具有不平衡特性，使得Buck模式下設計電感體積大，成本高，開關管電流應力大。針對此問題，提出BDPC在Boost模式時采用單相結構，在Buck模式時采用交錯并聯結構，從而有效減小電感體積和成本，減小開關管電流應力，降低輸出電流紋波。此外，為滿足系統瞬態需求，在BDPC控制器電壓環采用模糊PI控制器，實現了更快的系統響應，提高了系統魯棒性。

關鍵詞： 直線電機； 雙向功率變換器； 不平衡特性； 交錯并聯結構； 模糊PI控制

中圖分類號： TN402?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）13?0128?05

Abstract： The free?piston internal combustion linear power generation system is a novel integrated hybrid power system. In the process of system start to stable operation， the power flows between power generation unit and energy storage unit bidirectionally through BDPC， and has the unbalanced characteristics in two directions， which makes the designed inductor in Buck mode have big volume and high cost， and the switching tube have large current stress. Aiming at this problem， it is proposed that the BDPC adopts the single phase structure in Boost mode， and adopts the staggered parallel structure in Buck mode， which can reduce the inductor volume and cost， current stress of the switching tube， and output current ripple. To meet the system transient demand， the fuzzy PI controller is used for the voltage loop of BDPC controller to realize the fast system response， and improve the system robustness.

Keywords： linear motor； bidirectional power converter； unbalanced characteristics； staggered parallel structure； fuzzy PI control

0 引 言

自由活塞內燃直線發電機（Free?piston Liner Generator，FPLG）是一種新型混合動力裝置。與傳統內燃發電機相比，FPLG取消了曲柄連桿機構約束，具有更高的理論機電轉換效率；且壓縮比可調，能適應多種燃料，降低排放，適用于油電混合動力車，孤島發電等[1]。本文所述FPLG包括燃燒室，機械彈簧回復室，直線電機，其基本結構如圖1所示。機械彈簧及燃燒室活塞與直線電機動子直接相連構成運動部件，通過燃燒室周期性交替燃燒膨脹及機械彈簧回彈裝置共同作用，推動直線電機動子往復運動。當電機工作于電動機模式時，BDPC處于Boost模式；當電機工作于發電機模式時，BDPC處于Buck模式。由于系統功率流在兩個方向具有不平衡特性，導致雙向功率變換器在Buck模式下的電感電流明顯高于Boost模式下的電感電流，對應Buck模式下設計電感的體積較大，開關管電流應力較大等，給雙向功率變換器的設計成本及可靠性帶來了極大的挑戰。

目前關于FPLG系統BDPC設計的文獻很少，南京理工大學采用在BDPC處于大功率降壓模式時，屏蔽濾波電感，利用大容量的超級電容器組進行濾波，減小變換器體積和成本，但該方法無法減小開關管電流應力，開關管存在過度疲勞及發熱集中的問題 [2]。基于此，本文在功率變換器設計中，當BDPC運行于Buck模式時采用交錯并聯結構，有效地提高輸出電能質量，減小流經各相電感的電流值，從而減小了開關管的電流應力，使電感得到充分利用。同時，考慮到系統頻繁啟停所需響應時間短，電壓變化范圍寬，功率流方向需要快速平滑切換以及BDPC工作模式切換時存在非線性等問題，本文設計了模糊PI控制器提高系統的快速響應能力。

1 工作原理

自由活塞式內燃機直線發電系統由自由活塞內燃直線發電機、三相整流/逆變單元、雙向功率變換器，儲能單元構成，如圖2所示。在系統啟動、停車、故障恢復運行狀態下，直線電機運行于電動狀態，由動力源提供電能，經功率變換器裝置給直線電機供電，從而驅動活塞運動，此時雙向DC/DC變換器處于Boost模式。在系統穩定運行狀態，直線電機運行于發電狀態，燃料在燃燒室內燃燒膨脹做功，推動直線電機運動，將化學能轉化為機械能，直線電機輸出電能通過功率變換裝置后為蓄電池充電，此時雙向DC/DC變換器處于Buck模式。通過檢測直流母線及蓄電池側的電壓電流控制BDPC的升降壓工作模式。

在啟動過程中，內燃機不點火，僅直線電機運行于電動狀態驅動活塞往復運行，活塞運行平均速度低，產生反電勢較小，電動啟動所需功率相對低；而在穩定運行過程中，內燃機點火燃燒放熱瞬間膨脹力非常大，活塞運行速度較大，反電勢峰值較大，產生瞬時電功率峰值較大。造成啟動階段與穩定運行階段功率流明顯不平衡，直線電機由啟動至穩定發電的電機端電壓波形及功率流波形如圖3所示。直線電機工作于電動機模式時，為負值，需要動力源提供平均功率為6.7 kW。當直線電機工作于發電機模式時，為正值，傳輸的平均功率為15.9 kW。

2 BDPC拓撲設計及控制

現有混合動力裝置研究文獻中，多選用非隔離型雙向半橋DC/DC變換器，其主電路結構簡單緊湊，體積小，具有使用器件少，成本低，無變壓器損耗，效率高等特點[3?6]。

2.1 BDPC拓撲設計

圖4中：為儲能電感；為蓄電池側電壓；為電池側濾波電容；為母線電壓；為母線電容。控制開關管S1的導通與關斷（D1作為S1關斷時續流二極管），此時BDPC工作于Boost模式；同理，控制開關管S2的導通與關斷（D2作為S2關斷時續流二極管），此時BDPC工作于Buck模式。在設計電感時，需同時考慮兩種運行模式下的電感值及最大飽和電流值[7]。為了滿足電感存儲能量的需要，應選取最大電感值作為最小設計值，即：

系統參數： BDPC工作在電流連續模式，開關頻率20 kHz，輸入電壓為350～400 V，輸出電壓為170～180 V，電感電流紋波系數根據本系統設計計算得到在Buck和Boost模式下的電感參數如表1所示。

按照該結構設計，電感在Buck模式時的最大飽和電流遠大于Boost模式，會使電感體積增大，開關管電流應力增大，Boost模式時電感儲能量只利用了一部分，電感能量利用率低，導致雙向功率變換器效率較低。

2.2 交錯并聯BDPC拓撲及控制

基于以上分析，本文提出Boost模式時仍采用單相拓撲結構，Buck模式時采用兩相交錯并聯結構，此結構具有減小流經各相電感電流峰值及平均電流值，從而減小開關管電流應力，減小輸出端電流紋波，改善輸出電能質量，減小電感體積的優點。能夠使電感得到最大化利用，提高變換器功率密度，在一定程度上改善了功率變換器的效率 [9?11]。

在該結構下，Buck模式時單相電感電流減小一半，電感值增大一倍。變換器在Boost模式及Buck模式時，單相電感電流峰值均在50 A左右，電感值在0.3 mH左右，開關管電流應力減小且差距不大。利用紋波互消原理，減小輸出電流紋波。

本文中占空比開關管S2，S4 由PWM信號控制，其控制信號脈沖寬度相等，相位相差180°。為了避免交錯并聯結構因電路參數不一致而導致兩相電感電流不均衡，采取控制策略框圖如圖6所示，電壓通過PI控制器后作為電流給定，即兩路電感電流之和，電流內環分別控制兩路電感電流為總電流的一半，保證電流均衡。

3 模糊控制

由于FPLG工作過程的特殊性，直線電機動子運行頻率較快，速度較高，因而需要BDPC有較快的響應和較好的控制性能。而BDPC本身由于電容電感的存在，變換器特性在系統啟動、加速、減速等不同工況下呈嚴重的非線性。為了提高系統的性能，本文采用模糊PI控制器代替傳統電壓環PI控制器，將電壓誤差與電壓誤差變化率作為控制器輸入，輸出為對參數的調整量。在常規PI調節器的基礎上，應用模糊集合理論建立參數同偏差和偏差變化率之間模糊邏輯關系，并根據不同的和在線自調整參數的一種模糊控制器，以便結合模糊控制器響應速度快，PI控制器穩態誤差小的優點，實現BDPC的快速響應，電壓平穩特性，提高電能的儲存效率[12?14]。

模糊PI控制器框圖如圖7所示。

3.1 輸入輸出變量選取

由圖10和圖11可知，在傳統PI控制器作用下，Boost變換器超調量為7%，電壓調整到穩定值的時間為10 ms；Buck變換器超調量為8.3%，調整時間約1 ms。采用模糊PI控制器，系統響應時間明顯縮短，且無明顯超調。BDPC在兩種工作模式下，采用模糊PI控制器與采用傳統的PI控制器相比，能夠減少電壓調整時間，減小超調量，有效提高系統的魯棒性。

5 結 論

通過以上仿真得到以下結論：

Buck模式時采用交錯并聯結構，電感電流平均分配到2對橋臂上，可有效減小單相電感電流，從而減小開關管電流應力，有效解決開關管及輸出電感等器件過于疲勞與發熱過于集中等問題。

采用交錯并聯結構，各相承擔的電流明顯減小，因此可以采用更為小型的輸出電感。這也有利于降低電感設計挑戰，降低成本，可有效解決功率不平衡造成的電感設計值大，體積大的問題。

采用交錯并聯結構，基于紋波互消原理可有效減小輸出端電流紋波，改善輸出電能質量。且在Boost模式可交替選擇一相運行，減少開關管工作時間，延長開關管使用壽命。

與傳統PI控制器相比，模糊PI控制可明顯解決系統非線性問題，能夠提高系統響應速度，提高系統的魯棒性。

注：本文通訊作者為張馳。

參考文獻

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