关键词：车载独立电源系统；异步发电系统；矢量控制；负载预估前馈控制；抗干扰

Abstract: The use of asynchronous motor to generate electricity is an effective auxiliary means to solve the problems of power consumption and independent power supply systems in remote areas. The high-power diesel locomotive requires a large change in the load current when driving the traction motor. On the other hand, the range of the prime mover's speed is large, which also affects the output voltage of the generator. The constant voltage output of the power generation system directly determines whether the vehicle is safe or not. In this paper, the vector control of the rotor-field-oriented asynchronous motor power generation system is used to adjust and control the output voltage stability. For the dynamic voltage response is too slow, load estimation feedforward control is used to accelerate the system response speed. Finally, the simulation experiment is carried out. Finally, the control algorithm is applied to the speed control simulation of a traction motor. The results show that the constructed asynchronous power generation system can emit a constant voltage and has strong anti-interference ability for speed and load changes.

Key words: Vehicle independent power system; Asynchronous power generation system; Vector control; Load estimation feedforward control; Anti-interference

1  引言

轮船、火车、飞机、坦克等以发动机作为动力的运载工具，不仅需要高品质的供电电源，还需要设备的重量和体积较小，同时随着用电设备的增加，对发电系统的容量也提出了更高的需求。因此发电机的更高的功率密度、可靠性和良好的性能是车载独立系统发电系统的目标。

如今，异步发电技术受到越来越多的关注，常用于风力发电和车载独立电源系统中^[1]。虽然两个领域在发电机容量、转速范围、输出电压等级等方面的需求各不相同，但是发电机的控制方法、系统结构、输出电能的动静态品质、随原动机变速运行等方面的要求却是相同的。

发电机作为独立电源系统中的核心部件，要求：（1）发电机系统能够适应复杂恶劣的环境并保证长期运行；（2）原动机通常会在大范围变速运行，且电气负载的投切会造成较大的功率波动，这就需要发电机系统能够在变速变负载时输出稳定的电能；（3）发电机系统的电力电子变换器的容量应尽可能小，以减小控制器成本和体积^[2]，这些条件都是在选择和设计发电机时需要考虑的因素。下文将针对独立运行的变速变负载异步发电系统，对独立发电的稳压控制进行研究。

本文以“异步发电机发电控制系统分析计算”项目为依托，研究如何利用车载蓄电池为辅助电源，以柴油机直接驱动的三相笼型异步电机为牵引发电机，建立适于交直交系统牵引供电需要的内燃动车牵引发电系统，对异步发电机控制算法进行深入的研究与改进使其更为精准的输出稳定的直流电压。

2  独立发电系统工作原理

异步发电机的变速恒频独立电源系统（如图1所示），采用的笼型发电机具有结构坚固、可靠性高、无电刷滑环、造价低廉等特点^[2]，发电机可通过变换器输出直流电压，为直流负载供电。由于变换器位于负载和电机之间，可以同时调控系统的瞬时有功功率和无功功率，且可以实现能量的双向流动，电机通过变换器向负载提供功率，使电机工作在发电状态。

    图1  基于变换器的异步发电机直流发电系统

异步电机独立发电技术整体结构如图2所示，内燃机提供异步发电机所需的转速及转矩，异步发电机通过变流器将三相电变为稳定的直流电，为以后的牵引电机控制提供稳定的直流电源。电机负载为阻性负载，在仿真中由于感性负载会抑制直流电流的突变，故选择纯阻性负载，使其控制更加准确，使系统适用性更广。

其工作顺序为：蓄电池先给中间支撑电容C1充电，之后三相异步发电机随着内燃机转动至稳定转速(650rpm-1800rpm)，此时支撑电容电压达到750V，然后开始带载运行。将预充电系统以及主电路整合在一起，并按照实际的运行顺序依次运行。即先进行预充电到400V，之后电机运行，当直流侧电压稳定在750V时带载运行。

         图2  异步电机独立发电技术整体结构框图

3  基于转子磁场定向的异步电机发电系统矢量控制

           图3  基于转子磁场定向的结构框图

3.1  转子磁通观测器模型

利用能够实测的物理量，建立高精度的转子磁通观测模型是实现高性能的矢量控制的关键所在。利用系统测得的电机转速与定子电流算得转子磁链，同时磁链的给定值由转速磁链曲线求得

3.2  负载预估前馈控制

变速变负载的独立发电系统在变速变负载时都会引起输入输出功率的不匹配，而电压变化只是功率变化的表象，仅调节电压的变化无法得到很好的动态性能。因此传统的基于电流调节的矢量控制等技术并不能快速调节输出电压。虽然直流侧已经并接了支撑电容，但是这并不能快速消除负载突变而引起的电压波动，并且由于电感参数的影响定子绕组电流完全跟负载电流匹配需要一定的时间。为了减少动态电压的影响，采用负载前馈预估控制可以减小负载匹配时间以提高系统响应速度。

在负载预估前馈控制中，由于电机机械转速时间常数较之电气时间常数要大许多，在分析过程中假定转速是常数。当负载突变时会引起输出电压电流的变化，负载电流会迅速变化，而由于支撑电容的原因，输出电压的变化较为缓慢，故需要提高系统的动态响应速度以对负载电流变化进行补偿，促使调压过程提早进行，再通过电压信息对电压精度进行调整，而这一切都需要迅速改变有功电流分量来实现，实现过程如图4所示。

                    图4  负载预估前馈控制过程图

若不计发电机与变换器的损耗，则发电机电磁功率与负载消耗的功率应保持动态平衡，即：

4  仿真分析

根据图2所示的系统结构框图，在MATLAB/Simulink仿真环境下对异步电机独立发电技术整体控制进行建模仿真分析，其模型结构图如图5所示。

                     图5  异步电机独立发电技术整体控制Simulink模型

根据提供的不同转速下内燃机的输出功率，并已知发电机的效率(95.1%)和假设变流器的效率(98%)，可以得到变流器的输出功率及对应负载的等效电阻，如附表所示。

附表  转速所对应功率及等效电阻

内燃发电机运行在额定转速1800rpm，预充电时间设为0.1s，随后进行空载建压仿真运行。由图6可知在额定转速情况下，发电机系统经过0.12s完成建压，并能使支撑电容上的电压稳定在752V左右，稳态纹波电压基本为0。

                            图6  额定转速发电机建压波形图

发电机带载45kW（即直流侧接等效的13.4电阻）时，在1.2~1.7s内内燃机转速从650rpm无极调速到1800rpm（波形如图7所示），其转速变化对应的电压变化规律如图8所示。可见，在转速变化的过程中矢量控制下的异步发电系统发电机输出电压仅有2.5V的波动，符合发电机运行规律，在发电机转速稳定后电压稳定在752.5V。

5  结论

本文首先对笼型异步发电系统做了整体介绍，采用基于转子磁场定向的矢量控制方法，建立了转子磁链观测模型，并采用PI调节实现对直流电压调节器和转子励磁调节器的控制，最后采用负载预估前馈控制来降低负载变化对输出电压变化带来的影响，实现发电系统电压稳定输出。

最后通过搭建MATLAB/Simulink仿真模型对发电系统进行不同工况的仿真试验，由仿真结果可知基于转子磁场定向矢量控制下的笼型异步发电机发电系统在变速变负载时具有很好的动态性能。

参考文献：

[1] 李勇. 基于电力电子技术的异步电机发电系统研究[D]. 南京航空航天大学,2009.

[2] Singh G K. Self-excited induction generator research—a survey[J]. Electric Power Systems Research, 2004, 69(2-3):107-114.

[3] Bansal R C, Bhatti T S, Kothari D P. Bibliography on the application of induction generators in nonconventional energy systems[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2003, 18(3):433-439.

[4] 黄丛慧. 大容量鼠笼转子异步发电机的研究[D]. 青岛大学,2014.

[5] 李海涛. 自励异步发电机系统运动稳定性分析[D]. 广西大学,2016.

[6] 卢子广,伍健,唐伟杰，等. 42V汽车异步发电系统直接功率控制实验研究[J]. 微电机,2009,42(11):10-12.

[7] 谭峙. 42V汽车异步发电机系统矢量控制的研究[D]. 广西大学,2007.

[8] 刘陵顺,胡育文,黄文新. 电力电子变换器控制的异步电机发电技术[J]. 电工技术学报,2005(05):1-7.
[9] 李华德. 交流调速控制系统[M]. 北京:电子工业出版社,2003.

作者简介：

刘欢（1992.12-），男，硕士，大连交通大学电气信息学院，研究方向：电力系统分析与控制。