車用雙發電機并聯發電控制研究

王超 陳浩 陳曦 連小珉

（清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 10084）

車用雙發電機并聯發電控制研究

王超 陳浩 陳曦 連小珉

（清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 10084）

為實現車用雙發電機并聯均衡發電，對并聯發電系統進行端電壓控制和電流分配控制。運用基于輸出量反饋的電流解耦方法及PID控制方法，對雙發電機并聯發電控制系統進行系統建模，針對系統的雙目標控制要求，實現了電壓精準控制和電流快速均衡并研究了解耦后簡化的參數整定方法。simulink仿真和試驗驗證結果表明解耦控制方法有效。

1 前言

近年來，越來越多的客車廠采用雙發電機甚至多發電機并聯供電以滿足增大的用電功率，但隨之帶來了雙發電機并聯發電不均衡的問題。在實際生產制造中，即使同一個型號的發電機仍會存在參數不一致的情況。目前，國內外公開的成果中只有博世（Bosch）公司通過采用帶通訊功能的調節器并結合高質量一致性發電機實現并聯發電，但其均衡效果有限，而且制造成本較高。因此，有必要對不同型號雙發電機并聯發電控制進行研究[1]。

發電機并聯系統在控制方法上一般采用基于均流法的雙閉環PID控制，均流方法包括最大/最小電流均流法和主從均流法等[2～3]。然而，雙閉環形式的控制均未實現對兩個控制目標的解耦控制，在實際應用中存在參數整定困難、動態特性差等問題。

本文提出了一種基于輸出量反饋的車用雙發電機并聯解耦控制方法，通過對控制目標的分析，設計解耦環節，實現電壓和電流比的綜合控制，并進行仿真和試驗驗證。

2 雙發電機并聯發電控制系統

客車雙發電機并聯發電控制系統主要由發電機1、發電機2、控制器、電流傳感器及蓄電池等組成，其結構如圖1所示。

圖1 雙發電機并聯發電控制系統結構示意

控制器從上位控制器得到目標電壓值和目標電流比；發電機在發動機的帶動下，產生三相交流電整流后并聯在一起給整車供電。系統運行時，控制器從電流傳感器處接收發電機1、2的輸出電流信號，并采集輸出電壓信號，由具體的控制策略計算出控制量，通過脈寬調制信號（PWM）控制兩個發電機的勵磁電流，進而控制系統的電壓及目標電流比輸出。

3 雙發電機并聯發電控制策略

3.1 解耦控制設計

針對雙閉環控制方法實際應用中存在電流環、電壓環相互耦合作用導致控制參數整定困難，系統動態性能差的問題，采用基于輸出量反饋的解耦控制方法，其控制框圖如圖2所示。

圖2 控制算法框圖

由圖2可知，控制算法思路為：目標端電壓Ur和目標電流比Kr作為控制系統的目標輸入到控制器中，結合控制系統輸出量端電壓U和兩個發電機的輸出電流I1、I2進行解耦運算，得到解耦后兩個發電機輸出電流的偏差量ΔI1和ΔI2，分別通過兩組PID控制兩個發電機的勵磁占空比γ1和γ2，進而實現電壓控制和電流比控制。

通過輸出量之間的目標約束，可以對控制目標進行解耦，從而能夠清晰分析各控制參數的影響并確定控制參數，使系統獲得良好的動態效果。

3.2 基于輸出量反饋的電流解耦方法

雙發電機并聯發電控制系統輸出量為端電壓及兩個發電機的輸出電流，其控制目標為端電壓Ur和電流比Kr。若定義偏差量ΔU=Ur-U,ΔI=KrI2-I1，則控制目標為：

從實際模型可知，由于兩個發電機同時承擔負載電流，兩個發電機之間存在電流耦合。定義偏差量ΔI1=I1d-I1、ΔI2=I2d-I2，其中I1d、I2d為端電壓和電流比等于目標值時兩個發電機的輸出電流值，I1、I2為兩個發電機當前電流值。則耦合關系為：

式中，f1、f2為耦合函數。

公式（2）的意義為達到任一控制目標均需同時對兩個發電機的輸出電流做出調節。對式（2）進行解耦，即存在解耦矩陣P，滿足：

進而得到兩個發電機各自獨立的電流偏差值，分別對兩個發電機進行調節。而解耦矩陣P可由電路約束求得。電路原理如圖3所示，其中RL為負載電阻，rB為電池等效內阻，EB為電池自身電動勢，IB為蓄電池電流，IL為負載電流。

圖3 并聯供電回路模型

對應并聯供電回路，根據基爾霍夫電流定理、歐姆定理及各量定義，當端電壓為U時，有：

而當端電壓為Ur時，有：

由式（4）和式（5）可以得到：

對比式（6）與式（3），獲得解耦矩陣P：

因此，只要知道當前系統的輸出量及控制目標偏差值，即可通過解耦方程式（6）求得各發電機獨立的電流偏差值，進而對兩個發電機進行解耦控制。但式（4）、式（5）成立的前提是兩個發電機至少有一個在輸出電流，即只在自勵階段成立。當系統每次建立電壓時，存在由他勵（蓄電池勵磁）到自勵的轉變過程。他勵過程中兩個發電機均未輸出電流，不存在耦合問題，他勵階段勵磁控制在后文做出討論。

4 控制方法與參數的仿真獲取

4.1 PID方法實現

對于兩個24 V發電機，通過上述解耦方法可求得兩個發電機輸出電流的偏差量，則可通過兩組獨立的PID參數來控制兩個發電機的勵磁，進而實現電壓和電流比的控制。考慮到實際應用中，單片機存在存儲容量和計算能力有限的制約，故選擇采用增量式PID方法。而增量式PID中的I環節類似于絕對值PID的P環節，其決定系統的穩態性能；P環節類似于絕對值PID的D環節，能改善其動態性能。結合實際系統特性，增量式PI調節能獲取較好的穩態和動態特性，且參數獲取較為簡便，故采用增量式PI算法，即控制律為：

其中KP1、KI1、KP2、KI2分別為兩組PID的比例調節系數和積分調節系數。兩組PID控制參數可通過單電機發電模型的仿真試驗和試驗臺試驗進行整定。控制方法的Simulink模型如圖4所示，其中模塊A為解耦模塊，其表達式如式（6），模塊B1、B2為PID控制模塊，其表達式如式（8）。

圖4 控制方法的Simulink模型示意

4.2 雙發電機并聯發電控制系統建模

雙發電機并聯發電控制系統的仿真模型主要由4部分組成，其結構如圖5所示，其中F1（F2）為勵磁模型，G1（G2）為電磁感應模型，R1（R2）為整流橋模型，D為并聯供電回路模型。分別對這4個子模型進行分析和建模，可以得到實際系統的Simulink模型。

4.2.1 勵磁模型F1、F2

勵磁模型輸入為脈寬波占空比，輸出為勵磁電流。其為一個RL回路，為典型一階慣性環節[4]，其物理模型如圖6所示，其中rf、Lf為勵磁繞組的電阻和電感，If為勵磁繞組的電流。

圖5 實際系統Simulink模型結構示意

圖6 勵磁環節物理模型

對于高頻開關形成的勵磁有效電壓可近似為γ1U，則由電路方程可知：

可得勵磁模型F1和F2的數學表達式為：

4.2.2 電磁感應模型G1、G2

定子線圈在轉子轉動磁場的作用下產生三相感應電動勢，其交流有效值取決于發電機的轉速和勵磁電流[5]，其物理模型如圖7所示，其中eU,eV,eW為發電機定子三相線圈產生的感應電動勢。

圖7 電磁感應環節物理模型

則電磁感應模型G1（G2）的數學表達為：

式中，Em,i和Eφ,i分別為發電機i三相電動勢的幅值和有效值；w為角速度；Ki為發電機i的電機常數，跟電機結構有關；n為發電機轉速。

4.2.3 整流橋模型R1、R2

三相全橋整流由兩組6個整流二極管組成，每次某個正向二極管輸出當前最高電勢并鉗制住其余兩相正向二極管，負向二極管同理，其物理模型如圖8所示，其中u+、u-為整流橋正、負端電勢，E為整流后電動勢。

圖8 整流環節物理模型

根據整流原理，有：

最終輸出電動勢為：

式中，Ud為整流橋壓降。

結合式（12）與式（13）可得整流模型R1和R2為：

4.2.4 并聯供電回路模型D

兩個發電機同時給蓄電池及負載供電，因此需要對蓄電池建模，結合實際情況選取蓄電池一階等效模型[6]，其供電回路模型如圖3所示。根據基爾霍夫電路定理及歐姆定理有：

化簡后得到并聯供電回路模型D為：

式中，r1、r2分別為發電機1、2的等效內阻。

綜合式（10）～式（16），得到實際系統各個環節的數學關系，即可搭建對應的Simulink模塊。

4.3 仿真和分析

根據控制律模型及實際受控系統的模型可得到控制系統總的Simulink模型，各參數取值如表1所列。

表1 仿真相關參數

4.3.1 單發電機發電控制系統仿真

a.他勵階段參數整定

他勵階段由于發電機電壓未建立而電池本身存在一定的電動勢，故存在“鉗制”作用，使得此階段只有增量式PID中的I環節在起作用，可認為采用定增量去控制，即：

兩個階段的控制參數共同決定了系統的響應。控制參數作用如圖9所示。

圖9 控制參數作用示意

他勵階段的增量C1決定了發電機從起動到輸出電流的時間t1，進而決定了穩態響應時間tS。對于雙發電機并聯發電控制系統，要求兩個發電機同時輸出，即要求相同的t1，故可先確定他勵階段的控制參數，再根據各自的動態響應獲取自勵階段的控制參數。

設定t=0時刻的參考電壓值Ur2=27.5 V，根據實際系統的工程要求，取t1=2 s。對發電機1進行控制仿真，可確定C1=1.0，同理可得C2=1.2。

b.自勵階段參數整定

自勵階段的控制方程如式（8）所示，PI參數同時起作用。整定過程可參考Z-N法則。以發電機1為例，先采用純I控制，使其產生臨界震蕩，可得KI1max=1.8，故可按經驗選取KI1=0.8，再加入KP1，改善其動態性能，使其建壓過程無超調，可得KI1=0.8、KP1=3.2。其響應如圖10所示。

圖10 不同控制參數下的電壓響應

考慮到實際應用中控制系統的建壓過程存在啟動過程和參考電壓轉變過程，故試驗中在t=10 s時將參考電壓值改為29 V。由圖10可知，同一組參數下，兩個過程的動態響應均良好。同理可得KI2=0.9、KP2=3.8。

4.3.2 雙發電機并聯發電控制系統仿真

采用對應的模型進行仿真，控制參數采用試驗結果，設定t=0時刻的參考電壓值Ur=27.5 V，t=10 s時刻的參考電壓值Ur=29 V，此時系統的輸出如圖11所示。可以看出，2個發電機同時輸出電流，說明解耦方法和控制參數整定方法合理；兩個發電機剛輸出電流時，其輸出端電壓和電流比均未達到期望值，但在控制方法調解下，端電壓和電流比同時收斂達到穩態。與采取相同參數的相比，此次輸出端電壓存在很小的超調；發電機啟動時，由于追求較高的響應速度，供電系統的端電壓變化很快，而由于蓄電池存在電容效應，發電機的電流會存在超調現象，當端電壓達到穩態值后，其會很快趨于平穩；作為對比，當參考電壓值由27V變為29 V時，其端電壓變化速度較小，其電流未出現超調。

圖11 雙發電機并聯發電控制仿真驗證

以上仿真試驗是在n=2 000 r/min，RL=1 Ω條件下進行的，考慮到發電機的穩態工作點隨著轉速和負載改變而改變，為了驗證參數的合理性，需考量參考電壓變化時在各轉速和負載下端電壓的超調量和穩態時間。從系統模型和控制策略可知，低轉速低負載工況下系統的響應最慢，高轉速高負載下系統響應最快，結果如圖12所示。

圖12 不同工況下系統響應曲線

由圖12可知，低轉速低負載時參考電壓由27.5 V變為29 V的系統穩態時間為2 s，高轉速高負載下無超調，響應良好。

5 試驗驗證

5.1 試驗

由于發電機的電參數難以測量，且實際系統中發電機和蓄電池存在非線性環節，故仿真結果僅能證明該控制策略的有效性，其具體實際效果應在試驗臺上進一步驗證。試驗臺結構如圖13所示。

圖13 試驗臺結構示意

計算機通過變頻器控制驅動電機，經傳動機構給發電機提供動力，雙發電機并聯發電系統在控制器的控制下給蓄電池及負載（充放電儀）供電。試驗條件設為轉速2 000 r/min，負載電流10 A，參考電壓為27.5 V和29 V，電流比設為2。按照上述參數整定過程，確定他勵階段控制參數C1=0.8、C2=0.5，進而確定兩個發電機自勵階段控制參數KI1=0.2、KP1=1.2、KI2=0.15、KP2=1。

5.2 試驗結果分析

試驗結果如圖14所示。可以看出，該方法能很好地實現電壓和電流比控制，說明解耦方法和控制參數整定方法合理、有效。而由于發電機的電參數難以測量，電池模型作了低階次簡化及因實驗設備限制導致系統工作條件略有不同等原因，試驗結果與圖11的仿真計算結果在穩態數值上有一定差別，但基本與仿真結果一致，證明了該方法的實用性。

圖14 試驗結果曲線

6 結束語

a.基于輸出量反饋的電流解耦方法可以有效實現雙發電機并聯發電的解耦，方便通過單發電機控制試驗來整定控制參數；

b.汽車雙發電機并聯發電控制系統模型能較好地反映實際系統的特性，有助于參數的整定和仿真試驗；

c.電流解耦PID控制方法能實現車用不同型號雙發電機并聯發電系統的電壓和電流比同步控制。

1 孔偉偉,楊殿閣,李兵,等.傳統汽車發電機的智能化控制及改造.清華大學學報,2014,54（6）:738～743.

2 周瑤.基于CAN總線的并聯直流發電機數字控制技術研究:[學位論文].南京:南京航空航天大學,2011.

3 戴衛力.飛機無刷直流起動/發電系統的研究:[學位論文].南京:南京航空航天大學,2008.

4 趙莉華,曾成碧,苗虹.電機學（第二版）.北京:機械工業出版社,2014.

5 戈里.汽車交流發電機.北京:人民交通出版社.1987

6 張亮.鉛酸蓄電池動態等效電路的模型仿真.上海電力學院學報,2015,31（4）:342～346.

（責任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年9月1日。

Research on Parallel Power Generation Control of Double Vehicle-used Generator

Wang Chao,Chen Hao,Chen Xi,Lian Xiaomin
（State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084）

In order to realize the balanced power supply of double generator parallel generation,terminal voltage and current distribution between two generators were controlled.We used current decoupling control method based on output feedback and PID control,then built a model for the parallel power generation control system of the double-generator,and voltage precise control and current fast rebalance were achieved to meet the double-target control requirement.The simulink simulation and real system test verify the validity of the decoupling control method.

Double generator,Parallel power generation,Double target control

雙發電機 并聯發電 雙目標控制

U463.63+1

A

1000-3703（2017）02-0057-06