中科院學者提出自由活塞內燃直線發電機的高效控制方法

自由活塞內燃直線發電機取消了傳統內燃機的曲柄連桿機構，將內燃機的活塞與直線電機的動子直接相連，活塞帶動直線發電機動子在內燃機和氣體彈簧之間往復運動切割磁感線，輸出電能。由於取消了曲柄連桿機構，系統的機械損耗大大減小，且壓縮比可變。因此，自由活塞內燃直線發電機具有燃料適應範圍廣、整機效率高、偏載磨損輕等優點，可應用於新能源汽車、孤島發電、船舶潛艇等多種場合。

圖1 自由活塞內燃直線發電機結構原理

但由於取消了曲柄連桿機構，活塞的運動不再保持固定軌跡，特別是在燃燒爆炸產生的非線性、大擾動的推力下，高頻往復運動的活塞軌跡難以確定。因此，發電機繞組中產生的感應電動勢並非正弦曲線，輸出功率在較大時間尺度上發生週期性波動。

毛蓮蓮等研究了發電機輸出側的AC-DC變換器，透過雙閉環控制和解耦變換，得到了較為穩定的直流側電壓，但是忽略了自由活塞內燃直線發電機輸出功率和轉換效率的提升。陸益民等提出直接功率控制方法進行自由活塞直線發電機的功率控制，利用功率滯環比較器得到控制訊號，但是系統的控制精度受滯環寬度和取樣週期限制，且變化的開關頻率會造成嚴重的器件損耗和噪聲問題。包廣清等將無差拍預測控制應用到永磁直線發電機的控制中，克服了傳統控制演算法中高頻開關帶來的噪聲和器件損耗，但工作條件過於理想，無法適用於直線發電機的真實工況。

在傳統的旋轉發電機領域，常透過提高控制器的瞬態響應和魯棒性提高系統效率，然而傳統的旋轉發電機繞組中的感應電動勢接近於正弦波形，輸出功率基本恆定，因此能夠實現理想的控制效果。但是自由活塞內燃直線發電機的執行工況是非線性的，繞組內感應電動勢呈非正弦狀態，對控制演算法的預測精度和動態響應提出了更高的要求。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所、西南交通大學機械工程學院的研究人員李徵、邱書恆、陳飛雪、張馳、肖世德，在2022年《電工技術學報》上撰文，以自由活塞內燃直線發電機為研究物件，提出一種基於預測演算法的高效控制策略。透過預測演算法計算系統預期的瞬時功率，利用空間向量脈寬調製施加準確的電壓向量，進而減少系統的功率損耗，提高發電效率。

圖2 預測功率控制演算法

相較於傳統的直接功率控制，該策略針對自由活塞內燃直線發電機高頻時變的發電特性，一方面克服了因脈寬調製開關訊號延遲問題導致的效率損失，另一方面減少了因開關頻率不固定而產生的噪聲和損耗。

圖3 不同演算法作用原理比較

他們搭建了基於Matlab/Simulink的控制系統模型，並在自由活塞內燃直線發電機的工況下對兩種演算法進行模擬對比。模擬結果證明這種高效控制策略具備良好的動態響應和瞬態跟隨效能，相比傳統的直接功率控制策略提升系統效率3。1%。因此，對於自由活塞內燃直線發電機這類高頻時變輸入的系統，採用預測直接功率控制演算法（Predictive Direct Power Control， P-DPC）控制策略是適合的。

本文編自2022年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“基於預測演算法的自由活塞內燃直線發電機高效控制策略”。本課題得到了國家重點研發計劃、寧波市國際科技合作計劃、寧波市創新團隊和中科院STS專案的支援。