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自由活塞內(nèi)燃直線發(fā)電機(jī)取消了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將內(nèi)燃機(jī)的活塞與直線電機(jī)的動(dòng)子直接相連，活塞帶動(dòng)直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子在內(nèi)燃機(jī)和氣體彈簧之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)切割磁感線，輸出電能。由于取消了曲柄連桿機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)的機(jī)械損耗大大減小，且壓縮比可變。因此，自由活塞內(nèi)燃直線發(fā)電機(jī)具有燃料適應(yīng)范圍廣、整機(jī)效率高、偏載磨損輕等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于新能源汽車、孤島發(fā)電、船舶潛艇等多種場合。

圖1 自由活塞內(nèi)燃直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理

但由于取消了曲柄連桿機(jī)構(gòu)，活塞的運(yùn)動(dòng)不再保持固定軌跡，特別是在燃燒爆炸產(chǎn)生的非線性、大擾動(dòng)的推力下，高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞軌跡難以確定。因此，發(fā)電機(jī)繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢并非正弦曲線，輸出功率在較大時(shí)間尺度上發(fā)生周期性波動(dòng)。

毛蓮蓮等研究了發(fā)電機(jī)輸出側(cè)的AC-DC變換器，通過雙閉環(huán)控制和解耦變換，得到了較為穩(wěn)定的直流側(cè)電壓，但是忽略了自由活塞內(nèi)燃直線發(fā)電機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)換效率的提升。陸益民等提出直接功率控制方法進(jìn)行自由活塞直線發(fā)電機(jī)的功率控制，利用功率滯環(huán)比較器得到控制信號，但是系統(tǒng)的控制精度受滯環(huán)寬度和采樣周期限制，且變化的開關(guān)頻率會(huì)造成嚴(yán)重的器件損耗和噪聲問題。包廣清等將無差拍預(yù)測控制應(yīng)用到永磁直線發(fā)電機(jī)的控制中，克服了傳統(tǒng)控制算法中高頻開關(guān)帶來的噪聲和器件損耗，但工作條件過于理想，無法適用于直線發(fā)電機(jī)的真實(shí)工況。

在傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)領(lǐng)域，常通過提高控制器的瞬態(tài)響應(yīng)和魯棒性來提高系統(tǒng)效率，然而傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢接近于正弦波形，輸出功率基本恒定，因此能夠?qū)崿F(xiàn)理想的控制效果。但是自由活塞內(nèi)燃直線發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況是非線性的，繞組內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢呈非正弦狀態(tài)，對控制算法的預(yù)測精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)提出了更高的要求。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的研究人員李征、邱書恒、陳飛雪、張馳、肖世德，在2022年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，以自由活塞內(nèi)燃直線發(fā)電機(jī)為研究對象，提出一種基于預(yù)測算法的高效控制策略。通過預(yù)測算法計(jì)算系統(tǒng)預(yù)期的瞬時(shí)功率，利用空間矢量脈寬調(diào)制施加準(zhǔn)確的電壓矢量，進(jìn)而減少系統(tǒng)的功率損耗，提高發(fā)電效率。

圖2 預(yù)測功率控制算法

相較于傳統(tǒng)的直接功率控制，該策略針對自由活塞內(nèi)燃直線發(fā)電機(jī)高頻時(shí)變的發(fā)電特性，一方面克服了因脈寬調(diào)制開關(guān)信號延遲問題導(dǎo)致的效率損失，另一方面減少了因開關(guān)頻率不固定而產(chǎn)生的噪聲和損耗。

圖3 不同算法作用原理比較

他們搭建了基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)模型，并在自由活塞內(nèi)燃直線發(fā)電機(jī)的工況下對兩種算法進(jìn)行仿真對比。仿真結(jié)果證明這種高效控制策略具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)跟隨性能，相比傳統(tǒng)的直接功率控制策略提升系統(tǒng)效率3.1%。因此，對于自由活塞內(nèi)燃直線發(fā)電機(jī)這類高頻時(shí)變輸入的系統(tǒng)，采用預(yù)測直接功率控制算法（Predictive Direct Power Control, P-DPC）控制策略是適合的。

本文編自2022年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“基于預(yù)測算法的自由活塞內(nèi)燃直線發(fā)電機(jī)高效控制策略”。本課題得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、寧波市國際科技合作計(jì)劃、寧波市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和中科院STS項(xiàng)目的支持。