永磁同步柴油发电机组转速控制策略

周奇勋，曹世宏，宁 涛

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

0 引 言

传统柴油发电机组输出的电能直接供用户使用，供电质量较低，对负载适应性差。发电机在空载和轻负荷情况下，柴油机依然保持全速运行，大大增加了燃油的损耗和对环境的污染，降低了机组使用寿命［1－2］。若将柴油发电机发出的交流电整流成直流再通过逆变技术逆变为交流电压，虽然机组输出电源质量有所提高，但对于发电机来说，负载为整流性负载，功率因数低，功率损耗较大［2－3］。

基于上述情况，提出一种节能控制方案，使柴油机可根据负载功率确定最节能转速，同时通过发动机冷却液温度等参数对柴油机转速进行修正［4］。这种工作方式能够保证机组始终工作在高效率区，提高燃油利用率，降低发电机磨损，同时减少对环境的污染，顺应当代节能和环保这一主题［5］。

1 节能控制方案

柴油发动机带动发电机输出的交流电，经整流器把交流电转换成脉动电压后，将所得脉动电压进行升压处理，得到恒定的直流电压，再经过逆变技术得到符合用电标准的工频交流电。其系统拓扑如图1 所示。

图1 系统拓扑结构

其中，柴油发动机为YC6M220－20(M3000)，其最大功率为162 kW，额定转速2 200 r/min。整流部分采用简单、功耗小的桥式不控整流模式。升压电路采用Boost－TL 变换器，它是一种将输入电压升高的非隔离直直变换器。

为了使逆变器逆变得到符合使用要求的标准工频交流电，需要符合要求的直流电压，即逆变器的输入电压值应大于等于工频交流电的峰值电压［6］。若整流器输出的直流电不经过升压处理，发动机必须提高转速才能达到逆变电压的要求，这样就增加了发动机的油耗。

Boost 升压电路可以通过开关管的占空比控制升压变换器的输出电压。当发电机输出的电压值较低时，增大开关管的占空比即可提高Boost 电路的输出电压值。针对发电机不同转速输出的不同电压值，实时调整Boost 升压开关管的占空比，得到稳定且足够高的逆变电压［7］。因此，柴油发动机的转速调节无需考虑直流电压，而是根据不同的负载功率，工作在最节能的转速状态，可以使发动机的油耗最低，达到节能的目的。

2 节能模型构建

根据柴油发动机的万有特性曲线，可以看出发动机在各种工况下的经济性。最内层的等油耗曲线相当于最经济的区域，曲线越向外，经济性越差。柴油发动机YC6M220－20(M3000)的万有特性曲线如图2 所示［2］。

图2 YC6M220－20(M3000)万有特性曲线

根据图2，找出柴油发动机在一定功率输出时的最经济工况(转速和负荷)。对各功率下最经济工况运行的转速及其对应的功率进行拟合，便得到“最小燃油消耗特性”，拟合曲线如图3 所示。

图3 柴油发动机最小燃油消耗特性曲线

由此可得，柴油发动机输出功率Pe和此功率下燃油消耗率最小运行转速n 之间具有如下关系:

柴油发动机工作时，活塞、气缸套等零部件与高温燃气接触而具有相当高的温度，若不对其进行有效的冷却，会引起发动机零部件的机械强度下降，发生变形及过早的发生磨损等一系列问题。此外，燃烧室温度过高将使燃烧过程恶化，导致柴油发动机功率下降。柴油发动机冷却系统中，散热风扇由发动机曲轴带轮通过V 带驱动，受发动机转速的制约。发动机低速大负荷时温度高，当发动机温度超过允许值时，需要提高风扇转速以加强散热，即需要适当提高发动机转速来改善发动机温度状况。风扇转速nf随发动机冷却液温度的变化关系如图4 所示。

图4 风扇转速随发动机水温的变化

由图4 可得，风扇转速nf和发动机冷却液温度Tm满足:

永磁同步发电机在运行过程中，自身的损耗主要包括定子铜损、铁损、电气附加损耗、机械损耗几个部分。各种损耗基本都变成热能，其中一部分由冷却介质带走，余下的部分则使电机的温度升高。如果发电机自身损耗太大，会使发电机温度过高，降低发电机运行的稳定性及效率。

式中:C，a，b，c 均为常数;n 为发动机转速;nT为iT对应的临界转速值。因此，发动机转速的小于临界值时，电感电流值大于iT，它的电感量会发生变化，这是由磁性材料的物理特性决定的。当电感量减小较多时，将使升压电路不能正常工作。而且，发动机转速过小，流经电感的电流值较大，会产生较大的电流尖峰，导致系统输出的电能质量变差。

3 节能控制策略

综合上述柴油发电机组的节能模型，提出柴油发动机的节能控制策略:

式中:K1，K2，K3为比例系数。发动机运行转速主要依据两方面的因素:一是负载大小，主要通过负载功率的反馈，决定电站变速运行时的工作点;二是冷却液温度，通过发动机冷却液温度的反馈，对电站运行工作点进行修正，以确保系统工作在更为安全的状态。

当发动机冷却液温度低于设定值时，K1=1，K2=0，K3=0;当发动机冷却液温度较高时，增大K2;当发电机、整流器温度过高时，增大系数K3。即在满足发动机冷却水温度、发电机温升、整流器温升、升压电感饱和特性和负载特性的前提下，尽可能降低发电机组的运行转速，以最大限度节约燃油。

发电机转速的控制首先通过负载功率的反馈，决定发电机燃油消耗率最低的转速;其次通过发动机冷却液温度、发电机温度、整流器温度等的反馈，对发动机运行的转速进行修正，以确保发动机运行在更为安全可靠的状态。节能控制系统结构如图5所示，逆变器内部检测系统的电压电流，分析当前输出的功率，根据当前输出功率，向调速控制模块发送速度指令，进而调节发动机转速。

图5 节能控制系统结构框图

发动机的转速控制采用PID 控制方式，其闭环控制原理如图6 所示。

Boost 升压电路要求升压得到稳定的电压值，采用PID 控制方式实现。Boost 升压电路根据反馈电压实时输出不同占空比的PWM 波形，以快速响应负载变化，适时调节Boost 电压，保证母线电压的稳定。

图6 发动机转速控制原理

4 系统的建模与仿真

为了验证系统理论的正确性和可行性，本设计运用MATLAB 建立模型并进行仿真，拟在仿真的基础上，对整个系统的特性和工作极限等进行研究，并对控制策略进行验证。

根据发电机的输出特性，本文将发电机绕组简化为三相交流电源，三相电源的连接方式为Y 型连接。三相四线电源通过设置参数改变每相输出电压幅值以及频率，模拟变速发电机组在不同转速下的输出电压波形。发电机组的仿真模型如图7 所示。

图7 发电机组模型及参数

整流升压电路仿真模型如图8 所示，仿真结构由主电路和控制两部分组成，其中控制机构采用闭环控制。闭环控制结构采用PID 控制方式。PID 控制中，PWM 占空比指令产生机制如图9 所示。

图8 整流升压电路仿真模型

图9 PWM 发生器仿真模型

由于发电机输出电压、频率与发电机转速呈线性关系，由此可得发电机不同转速下对应的输出电压、频率值。改变负载，根据节能模型求得各个负载功率对应燃油消耗率最低转速nPe(假定此时K1=1，K2=0，K=0)，改变三相电源参数为nPe下的输出电压、频率值，模拟不同负载条件下的工况。

此外，在本仿真模型中，测定三相交流电源的功率因数，衡量本方案永磁同步发电机效率。其中，功率因数计算模块Calculator 如图10 所示。

图10 功率因数计算模块

在不同的负载条件下，以节能模型确定转速运行时的不同频率、幅值的电压，经整流升压电路后均可得到稳定的750 V 直流电压值。且由仿真模型功率因数计算模块Calculator 测得的功率因数Pf值可达0.95。

负载功率Pe、模拟发电机转速n、功率因数Pf、Boost 升压电路输出电压U 随时间t 的变化情况分别如图11 ～图14 所示。

图11 Pe -t 变化关系曲线

图12 n-t 变化关系曲线

图13 U-t 变化关系曲线

图14 Pf -t 变化关系曲线

上述仿真结果表明，在不同的负载条件下，由节能模型确定的转速下经整流升压电路可得到较高且稳定的电压值，满足逆变器输入电压要求;同时功率因数值可达0.95，发电机利用率高。系统控制算法正确，验证了方案的可行性。

5 系统试验

5.1 空载性能试验

空载条件下，对升压系统输出的电压电流进行捕获，得到如图15 所示波形。从图15 中可以看出，Boost 输出电压和电感电流波形基本保持稳定，单侧母线电压为375 ±5 V，正负母线电流分别为2.17 A，－3.11 A。

图15 空载升压系统输出电压电流波形

5.2 带载性能实验

系统试验中在加满载时，经过升压子系统的电流波形及输出的电压波形如图16 所示。正负母线电流波形，根据升压电路的工作原理，由于升压过程中功率管的斩波，使得电流波形呈现出波动。与空载试验结果对比，电流在负载增大的工况下波动幅值增加;输出母线电压在满载工况下与空载情况基本相同，能够保持恒定的电压输出。

图16 带载工况升压子系统电压电流波形

突加载试验要求升压子系统的输出电压稳定在恒定值，即在负载突变的工况下，升压子系统能进行自适应控制。图17 为满载突加试验波形，加载过程中，由于负载增加，电路中的电流会突增，但Boost输出电压稳定，正负母线电感电流均衡，并在负载突变时，输出电压突变小于30 V，稳定时间200 ms，可以满足后级逆变对输入电压的要求。

图17 突然加载升压子系统电压电流变化波形

上述实验可以表明，在负载状况不同的情况下，经Boost 升压可得到稳定的输出电压，系统性能稳定、控制策略合理，可以实现负载突变情况下稳定工作。

6 结 语

从传统柴油机对外界用电设备的适应性较差这一缺陷出发，研究配备“发电－恒压－逆变”型柴油发电机组，使其可根据负载功率调节柴油机的转速，同时根据发动机冷却水温度等信号对转速控制进行修正，使机组始终工作在高效率可靠状态，达到节能的目的。本文主要研究了逆变器前级的整流升压部分，它是逆变得到符合用电标准的工频交流电的前提和基础，具有重要意义。

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