混合匹配

混合匹配（共5篇）

混合匹配 篇1

0 引言

在汽车工业快速发展的同时, 节能和环保越来越成为汽车研究的重点。为提高汽车的燃油经济性, 降低排放, 人们普遍采用混合动力技术来改变现有的内燃机汽车。以电能作为储存方式, 即混合动力电动汽车是目前国内外研究的热点。本文介绍的是一种适用于城市公交车的混合动力电动汽车。

城市公交客车的运行特点是起动、制动频繁, 怠速时间长, 平均行驶速度较低。传统的单轴并联式混合动力公交客车能量回收效率低, 且动力性一般[1]。文献[2]中介绍的混联式混合动力公交客车是基于变速器一挡耦合的, 驱动电机和发动机通过齿轮耦合机构在变速箱Ⅱ轴上进行动力耦合, 这样会影响整车总体效率, 且结构布置比较复杂。文献[3,4,5,6]介绍了并联混合动力车的参数匹配和设计方法, 没有涉及对混联式混合动力车的参数匹配。本文提出了一种混合动力大客车的结构方案, 在这种结构方案中, ISG电机与发动机曲轴相连, 可以快速反拖启动发动机, 避免怠速工况, 同时还能调节发动机的工作点, 使发动机在最优工作区间内运行, 驱动电机由于没有耦合机构, 制动能量回收效率更高。本文以常用的公交车作为原型, 对动力参数进行了匹配研究和仿真[2]。

1 ISG混合动力车的特点及设计目标

1.1 动力系统结构特点

ISG混合动力车的结构方案如图1所示, 由发动机、ISG电机、驱动电机、蓄电池和变速器等动力装置组成, 该方案有两个电机, ISG电机 (电机1) 的功率较小, 驱动电机 (电机2) 的功率较大。

这种ISG混合动力方案有以下优点:

(1) 怠速停机, 快速启动。当汽车停车时, 发动机立即停止喷油, 即发动机没有怠速工况;当汽车起步时, 电机把发动机快速拖动到怠速转速以上, 然后再喷油点火。

(2) 减速断油及制动能量回收。汽车减速行驶时, 当车速降低到一定程度后, 发动机停止喷油, 并进行能量回收, 且由于驱动电机无耦合机构, 在制动能量回收时, 效率更高。

(3) 为起步以及大负荷时提供助力。在起步、加速以及爬坡等大负荷工况时, ISG电机、驱动电机与发动机一起提供转矩, 满足发动机转矩不足以及大负荷转矩的需求, 达到行驶工况, 保证发动机在最优工作区间运行。

(4) 高效发电。在电池SOC值较低时, 可由发动机利用停车时间或在满足行驶要求以外提供额外转矩驱动ISG电机发电, 满足辅助设备用电要求。

以上各个功能的实现, 均需要通过对各离合器以及电机工作状态进行控制。

1.2 设计目标

混合动力电动大客车主要在市区运行, 少量在郊区和城间运行, 并且要求车载蓄电池组无需从外界电源充电, 属于“充电-保持型”。基于考察广州市公交车辆的行驶运营要求, 同时参考国家863电动汽车专项提出的性能指标, 确定ISG混合动力大客车的基本动力性、经济性和排放性指标, 整车主要设计指标如表1所示。

2 动力总成参数设计

混合动力传动系统参数的初步匹配主要依据车辆的动力性能要求, 针对具体的混合动力传动结构来计算动力总成所需的总功率需求, 最大转矩需求, 发动机、变速器、电机等机械特性要求, 以及蓄电池组电压和容量要求等。目标车整车基本参数如表2所示。

2.1 动力总成匹配参照工况的选择

目前世界上所有的循环工况主要被分为三组[7]:美国行驶循环工况、欧洲行驶循环工况和日本行驶循环工况。国内内燃机重型车的试验排放标准一般采用欧洲标准[8], 欧Ⅱ标准的测试工况为R49, 欧Ⅲ、欧Ⅳ的标准测试工况为ETC (Europe Transit Cycle) 。虽然欧洲标准中没有专门提出测试混合动力重型车的试验工况, 但ETC作为一个整车性能评价工况, 代表性极强, 非常适合用来对国内大客车进行整车性能研究。由于本文的研究对象是混合动力大客车, 因此选择ETC城市工况作为混合动力车动力总成匹配参照工况。

2.2 动力总成功率及最大转矩需求

本部分将参照表1和表2中的参数, 依据汽车理论, 按照逆向仿真法, 以ETC城市工况作为参照工况, 估算整车的总功率需求、最大转矩需求。

汽车行驶方程式为

$F{}_{\text{t}}=mgf\cos \alpha +mg\sin \alpha +\delta m\frac{\text{d}u}{\text{d}t}+\frac{C{}_{\text{D}}Au{}^2}{21.15}(1)$

式中, m为汽车质量;α为爬坡度;du/dt为加速度;CD为风阻系数;A为迎风面积;δ为汽车旋转质量换算系数;u为车速。

车辆需求的转矩与驱动力的关系为

$F{}_{\text{t}}=\frac{{\rm T}{}_{\text{t}\text{q}}i{}_{\text{g}}i{}_0\eta {}_{\text{Τ}}}{r}(2)$

式中, Ttq为车辆需求转矩;ig为变速比;i0为主减速比;ηT为传动系的效率;r为车轮半径。

汽车功率关系为

Pwh=PICE+PISG+Pm2=PICE+PBat (3)

${\rm P}{}_{\text{w}\text{h}}=\frac{F{}_{\text{t}}u}{3600}(4)$

式中, Pwh为车辆需求的功率;PICE为发动机提供的功率;PISG为ISG提供的功率;Pm2为驱动电机提供的功率;PBat为蓄电池提供的功率。

在MATLAB/Simulink开发平台上, 以ETC城市工况作为参照工况, 搭建如图2所示的混联混合动力整车行驶模型。图3所示为在ETC工况下, 按上述整车行驶模型的仿真结果。从图3可以看出, ETC工况下最大功率需求为165.7kW, 车轮最大转矩需求为9742N·m。

2.3 发动机参数

根据ISG混合动力系统的功能要求, 发动机是主要的动力源, 驱动电机和ISG电机是辅助动力源, 由此可以确定三者的功率参数匹配原则:发动机至少需要满足汽车在平坦路面上以最高车速行驶的功率需求, 加速和爬坡所需的额外功率则由驱动电机和ISG电机提供补充。

发动机功率需满足的条件:为维持电池系统SOC平衡, 整个循环工况的平均功率Pcyc_ave小于发动机的功率;发动机功率满足车辆巡航的要求[4,5];发动机需要提供一定的爬坡能力, 这样在爬坡的过程中能够减小对电池和电机的依赖程度[6];变速箱在最高挡位时, 发动机最高转速对应的车速大于最高车速;考虑混合度对燃油经济性和动力性的影响[9]。

为满足上述条件, 经过估算, 本文选择一款外特性曲线如图4所示的发动机为目标发动机。图中曲线是根据实验测得的数据, 在MATLAB中拟合得到的。

(a) (b)

由图4可知, 该发动机的最大功率为119kW (3000r/min) , 最大扭矩为400N·m (2500r/min) 。

2.4 驱动电机参数

主驱动电机需要满足的条件[2]:驱动电机、ISG电机和发动机功率之和应该大于最大驱动功率;驱动电机与发动机动力复合后, 满足车辆起步加速性能要求;能够在纯电动工况下提供驱动功率;根据不同的控制策略和纯电动动力性能的要求, 可以适当地调整驱动电机的功率需求;制动时能最大限度地回收能量。

ISG混合动力汽车在行驶时没有纯电动工况, 驱动电机与发动机相比, 功率较小。一般来说, 随着电机功率的增大, 汽车的经济性随之提高, 但是随着驱动电机功率的增大, 所需的电池组数目也必须增多, 这样不但增加了整车重量, 而且增加了整车制造成本。驱动电机功率取值应在满足整车节能目标的前提下, 从经济性和制造成本两方面均衡考虑。

综合考虑, 电机的驱动功率应满足:

Pm2+PISG+PICE≥Pcyc_max (5)

$\frac{1}{3.6}{\displaystyle \int }{}_0^{50}\frac{\delta m}{F{}_{\text{t}}-F{}_{\text{f}}-F{}_{\text{w}}}\text{d}u\le 20(6)$

其中, 汽车旋转质量换算系数δ取1.2。

经过计算选定的驱动电机的参数如表3所示。

2.5 ISG电机参数

ISG电机需要满足的条件:ISG电机的发电工作点应尽量在发动机的经济工作区域内;同时, ISG电机能够最大程度地回收发动机提供的多余能量, 给蓄电池充电, 因此ISG电机的功率不宜选得过小。

确定ISG电机参数时还需要考虑以下几个因素:在汽车加速和爬坡时ISG电机提供助力, 确保发动机启动, 与发动机转速匹配和电池充放电匹配。具体来说, ISG系统要求电机能够短时间 (一般不超过0.4s) 启动发动机点火, 因此, 要求电机必须要有较大的启动转矩以克服发动机启动的阻力矩;功率补偿要求汽车在加速或爬坡需要大功率时, ISG电机能够提供一部分功率, 弥补发动机的功率不足, 电机峰值功率也是需要确定的参数之一;另外, 由于ISG电机需要与发动机在同轴上耦合, 电机转速也需要与发动机匹配。ISG电机参数如表3所示。

2.6 蓄电池组参数的初步确定

蓄电池组参数主要是指电压等级、容量、SOC的应用范围[10]。为了确保系统可靠地运行, 蓄电池电压等级要与电力系统电压等级和变化范围一致。由于可供本文选择的电机逆变器IGBT最高能承受的电压不超过600V, 且一般动力电池组的电压变化范围在其额定电压的-35%～25%范围内, 同时考虑重量匹配和布置空间等多种因素, 本文选定的动力电池组采用串联结构, 额定电压为384V, 单个电池模块的电压为12V, 所需总电池模块数为N=384/12=32。

2.7 主减速比的设计

发动机转速与车辆行驶速度之间的关系为

$u{}_{\text{a}}=0.377\frac{rn}{i{}_{\text{g}}i{}_0}(7)$

式中, n为发动机转速。

根据设计指标, 车辆最高行驶速度须大于90km/h, 此时发动机运行在最高转速附近。另外, 由于车辆在低速时由电动机单独驱动, 为了保证电动机驱动到发动机驱动的过渡顺畅, 过渡时电动机转速必须高于发动机启动转速[1]。

2.8 最大传动比的设计

变速器各挡的传动比大体上是按等比级数分配的, 为此先确定最大传动比, 亦即Ⅰ挡的传动比ig1与主减速器传动比i0的乘积。当主减速比i0确定时, 也就是确定变速器Ⅰ挡的传动比。

最大传动比的确定需要考虑三个方面的问题:最大爬坡度、附着率及汽车最低稳定车速。即满足:

$i{}_{\text{g}1}\ge \frac{G(f\text{c}\text{o}\text{s}\alpha {}_{\max }+\sin \alpha {}_{\max })r}{{\rm T}{}_{\text{t}\text{q}\text{m}\text{a}\text{x}}i{}_0\eta {}_{\text{Τ}}}(8)$

表3中给出了该混联式混合动力客车动力系统各零部件的参数。

3 仿真分析

混联式混合动力汽车的控制策略较为复杂, 制定的控制策略不同会影响仿真结果[9,10,11], 本文的蓄电池的荷电状态需要维持在一个区间范围内, 属于充电保持型, 而最终的能源来自于发动机, 故本文是以发动机区间优化法为控制策略, 其基本思路如下:

(1) 整车需求功率在发动机优化区间内时, 发动机单独工作;

(2) 整车需求功率大于发动机最大功率时, 驱动电机提供助力;

(3) 整车需求功率低于发动机最小功率时, 驱动电机单独工作, 发动机关闭;

(4) 整车需求功率不在发动机最优区间内时, 可以通过给蓄电池充电或者放电, 来使发动机回到最优工作区间内;

(5) 当SOC低于设定最低值时, 发动机提供多余的能量给蓄电池充电;

(6) 制动时, 驱动电机处于发电状态, 回收能量, 给蓄电池充电。

3.1 动力性评价

动力性的评价指标为最高车速、加速时间和最大爬坡度。

图5a、图5b分别为汽车驱动力与行驶阻力平衡图和驱动电机以40kW功率辅助时的爬坡图。

由图3a可知, 混合动力汽车最高车速能达到90km/h, 驱动电机40kW助力时最大爬坡度能达到20%以上, 通过仿真计算得到0～50km/h的加速时间为15.08s。

3.2 燃油经济性评价

本文蓄电池荷电状态维持在一定区间内, 属于电量保持型, 而维持蓄电池平衡的动力来源于发动机, 故经济性的评价需考虑发动机的油耗和蓄电池电能消耗之和。

电池组的平均瞬时等效油耗$\dot{m}{}_{\text{b}}({\rm T}{}_{\text{m}},\omega {}_{\text{m}})$为ISG电机和电机2对电池组的补充或消耗的平均等效油耗的综合。

ISG电机的瞬时等效燃油消耗为

$\dot{m}{}_{\text{b}1}({\rm T}{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}},\omega {}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}})=\{\begin{array}{l}\frac{\overline{b}{}_{\text{f}\text{e}}{\rm P}{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}}({\rm T}{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}},\omega {}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}})}{3600\overline{\eta }{}_{\text{d}\text{i}\text{s}}\overline{\eta }{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}}}{\rm T}{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}}\ge 0(\text{电}\text{动})\\ \frac{\overline{b}{}_{\text{f}\text{e}}{\rm P}{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}}({\rm T}{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}},\omega {}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}})\overline{\eta }{}_{\text{c}\text{h}\text{g}}}{3600}{\rm T}{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}}\le 0(\text{发}\text{电})\end{array}(9)$

电机2的瞬时等效油耗为

$\dot{m}{}_{\text{b}2}({\rm T}{}_{\text{m}2},\omega {}_{\text{m}2})=\{\begin{array}{l}\frac{\overline{b}{}_{\text{f}\text{e}}{\rm P}{}_{\text{m}2}({\rm T}{}_{\text{m}2},\omega {}_{\text{m}2})}{3600\overline{\eta }{}_{\text{d}\text{i}\text{s}}\overline{\eta }{}_{\text{m}2}}{\rm T}{}_{\text{m}2}\ge 0(\text{电}\text{动})\\ \begin{array}{l}\overline{b}{}_{\text{f}\text{e}}{\rm P}{}_{\text{m}2}({\rm T}{}_{\text{m}2},\omega {}_{\text{m}2})\overline{\eta }{}_{\text{c}\text{h}\text{g}}\\ 3600\end{array}{\rm T}{}_{\text{m}2}\le 0(\text{发}\text{电})\end{array}(10)$

式中, $\overline{\eta }{}_{\text{c}\text{h}\text{g}}$、$\overline{\eta }{}_{\text{d}\text{i}\text{s}}$分别为电池组充电、放电平均效率;$\overline{\eta }{}_{\text{Ι}\text{S}\text{G}}$、$\overline{\eta }{}_{\text{m}2}$分别为ISG电机和驱动电机平均效率;PISG (TISG, ωISG) 、Pm2 (Tm2, ωm2) 分别为ISG电机、驱动电机输出功率;bef为虚拟油-电转换平均比油耗率, 取值为384g/ (kw·h) [12]。

本文在MATLAB/Simulink下建立如图6所示的发动机性能仿真模型。主要输入为发动机转矩、转速需求, 可通过发动机外特性和万有特性模块计算输出:发动机实际输出的功率、转矩以及消耗的燃油量等。

在MATLAB/Simulink下建立的电机性能仿真模型如图7所示。电机输出功率的计算是根据当前的电机转矩需求和实际输出转速, 通过电机模型计算出电机可提供的电动功率, 再和蓄电池可提供的功率进行比较, 取最小值。

另外本文还建立了如图8所示的蓄电池SOC计算仿真模型。输入量为电机 (蓄电池) 充入或消耗的电能、蓄电池SOC的初始值, 通过积分计算, 输出为当前时刻的SOC值。如果蓄电池SOC小于0.2 (蓄电池过放电) , 则停止仿真。

依据上面的三个模型, 在ETC工况下, 仿真时间为600s, 能够得出以下仿真结果:混合动力汽车的油耗为24.21L/100km, 而原车的油耗为33.94L/100km, 混合动力汽车燃油经济性比原车节约28.67%, 其相应的发动机的工作点、驱动电机的工作点和SOC的变化如图9、图10、图11所示。

从图9～图11中可以看出, 发动机大都工作在最优区间内, 所以燃油消耗较低, 少数落在最优区间外;驱动电机的工作效率大都在80%左右, 且工作在驱动状态, 这使得蓄电池的SOC波动比较小, 总体的趋势是下降的, 从蓄电池输出的功率可以看出驱动电机消耗的电能比ISG提供的电能要多, 这种方案及对应的控制策略能满足整车的性能需求。

4 结束语

本文提出了一种混联式驱动方案, 利用仿真模型得出了在ETC工况下动力总成的功率和扭矩需求, 并对动力总成各零部件的参数进行了初步设计, 在MATLAB/Simulink环境下建立了基于发动机优化区间工作模式的控制策略仿真模型, 仿真结果表明动力总成各零部件的参数匹配能满足整车性能的要求。基于发动机优化区间工作模式的控制策略能使整车性能较传统同功率下客车的性能有着不同程度的提高。同时发动机的工作点大都落在最优区间内, 驱动电机的工作效率较高, 蓄电池的SOC变化较小。本文仅是基于发动机区间优化, 还没有考虑电机区间的优化, 接下来的进一步工作是综合考虑三个动力元件的区间优化。

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混合匹配 篇2

混合动力汽车与常规的汽车动力系统存在很大差异,能够将多种动力供应形式相互结合,这种混合动力系统能够节省汽车的油品损耗,并使用清洁能源逐渐的替代油品使用,节省能源的同时也可以解决污染排放的问题。工况法能够将汽车发动机部分的能源使用情况进行对比,按照汽车设计阶段所应用的能源对比检测情况来进行,更深入地对混合动力汽车的动力系统进行评估,包括能源损耗情况,运行使用后的排放情况,通过这种对比可以更深入地了解到在基层中是否存在需要进一步完善的内容,并在混合动力汽车设计阶段采取框架优化的方法来进一步解决。工况匹配法包含了众多的检测内容,例如混合动力汽车在不同荷载情况下的瞬时动力情况,是混合动力汽车发生的重要基础。

2 理论匹配法

2.1 单动力装置车辆动力系统匹配

该种动力系统匹配方法,是根据常用的技术性方法来进行的,会确定混合动力汽车明确的使用需求标准,并在此基础上进行更深入地控制研究,将所得到的参数带入到计算公式中,最终得到与汽车动力标准相匹配的动力系统参数体系[1]。P在公式中会代表混合动力汽车行驶期间的总功率,分别包含了汽车正常行驶、载重行驶以及爬坡行驶时对动力系统的要求,并将各项动力参数分别求出后相加求和,判断在单动力装置车辆设计时,混合动力系统需要满足的使用需求。行驶期间还会产生一部分能源损耗,会通过Paux来进行表示,损耗主要是由空气摩擦导致,因此在计算时可以考虑空气所带来的阻力,将其作为计算期间的具体参数。

2.2 双动力装置车辆动力系统匹配

双动力装置中,由主动力系统与辅助动力系统共同组合而成,正常形式时主动力系统会导通,并向汽车行驶提供动力。但遇到突发情况时,例如在爬坡阶段,需要配合更高的动力系统支持,此时辅助装置会自动导通并提供足够的瞬时动能,达到理想的使用效果,这样混合动力汽车在任何路况上都能够确保稳定行驶,不会影响到使用安全。具体的计算公式如下所示:

其中Ps表示在稳定状态下汽车行驶消耗的功率,也就是混合动力汽车主动力系统的功率情况,将常规形式的功率损耗与风力阻碍带来的损耗功率相加,便能够对主动力系统有完善地了解。PT是瞬时状态下辅助动力系统在短时间内导通并提供动能时的系统参数变化情况,对其进行计算需要将总功率减去公式1中计算得到的稳态动力系统匹配参数。最终所得到的结果中已经去除了阻碍带来的能量损耗,因此能够直接应用在系统参数配合方面,使得汽车的混合动力系统设计能够得到更好地配合。

3 工况匹配法的应用

在混合动力汽车中应用这种研究方法,首先要对基础部分的参数进行全面了解,观察车辆在进行动力系统设计时,是否存在需要进一步完善的内容,将所得到的计算结果与试验所得到的参数进行对比,这样可以在短时间内判断混合动力汽车的动力系统设计是否达到了车辆使用安全规定标准。计算车辆在不同状态下的发动力动力提供参数情况,在此基础上进行全面地参数对比分析,通过这种方法可以帮助技术人员明确在设计理念中需要进一步完善的内容,并促进管理计划在现场得到更好地落实应用。

混合动力汽车中,电能是常用的能源之一,通过电池来将电能存储在其中,与传统的汽车动力提供形式相比较,增加了很多的新内容,也能够更好地适应使用期间需要继续深入完善的内容,包括对电池蓄电能力标准的选择,是否在形式期间可以达到预期的节能指标,以及在系统中是否存在排放污染物质超标的情况[2]。混合动力汽车在我国正处于研发推广的状态,设计阶段也是十分严谨的,任何一项参数对比误差问题,都有可能会影响到系统功能的正常实现,最终造成严重的质量安全隐患问题,导致混合动力汽车不能在汽车行业中迅速地推广。开展工况匹配法来对汽车的综合指标进行评价是十分有效的,能够帮助继续深入地提升使用安全性。

4 结束语

综上所述,工况匹配法兼顾了目标工况和动力性指标对动力系统的要求,既能有效减小发动机的尺寸,又具有良好的节油效果。工况匹配法不仅适合以国内典型城市公交循环为目标工况的混合动力汽车的动力系统匹配,而且也适合以其他单个循环或多个循环为目标工况的混合动力车辆的动力系统匹配,所以对混合动力车辆动力系统的设计和研究具有一定的现实意义。

摘要：在混合动力汽车中,应用工况匹配法来对汽车的行驶情况进行深入研究,有助于实现更理想的动力系统优化设计计划,为汽车投入使用后提供安全保障。文章重点针对混合动力汽车中开展动力系统工况匹配法的具体形式进行介绍,从理论计算与实践应用需要注意的内容来进行。

关键词：混合动力汽车,动力系统,工况匹配

参考文献

[1]季新杰,李声晋,方宗德.单轴并联式混合动力汽车动力系统参数匹配的研究[J].汽车工程,2011,33(3):188-193+202.

混合匹配 篇3

混合动力挖掘机的出现是适应当代“节能”号召下工程机械界的产物, 而油电混合动力又是其中运用较多的产品之一, 它越来越受到各大工程机械厂家的青睐与重视。在油电混合动力挖掘机中, 为了达到低油耗的目标, 通常采用的是调整液压泵的排量从而实现动力源与液压泵的功率匹配[1,2,3]。还有些较先进的机型例如混合动力, 采用的是调整电机的工作方式和输出扭矩, 在当外界负载较低时, 将电机作为发电机使用, 将能量存在超级电容中。待遇到重载时, 根据超级电容可用能量的大小, 去填补发动机功率的差值或调整泵的排量, 从而实现低油耗的目标。这样就可以达到发动机, 泵, 电动机三者间的功率匹配[4]。这种控制的方式通常是选择电机的助力或调整泵的使用功率, 对液压泵与电机转矩进行同时调整的文章则比较少。

文章针对混合动力挖掘机发动机、液压泵与电容之间的功率匹配问题, 提出了一种基于模糊理论的两级模糊控制方法, 这种方法根据泵功率的消耗情况、发动机的负荷状况及电容的电量, 进行两级模糊决策, 同时调整泵功率与电动机的助力力矩, 从而实现三者能量之间的动量平衡, 达到整机的相对高作业效率与低油耗。

1 模糊控制器

模糊控制器主要由模糊输入集合, MAMDANI推理及去模糊化三部分组成, 它们是整机控制器的运算核心。模糊输入集合是预先设定的一系列模糊化输入域, 这个输入域包含了输入量的对应的整个范围。MAMDANI推理则根据得出的适配度去计算相应的输出。去模糊化为将模糊参数处理成精确化的输出参数。

对于混合动力挖掘机而言, 确定助力时刻点是很重要的。首先需要知道发动机与泵的能量消耗信息, 为此, 将发动机的掉速率e (t) 与泵的消耗功率x (t) 作为模糊控制器的两个基本输入。为了保证发动机的不会因为功率不足导致降速后的冒黑烟现象, 就需要在发动机即将降速之前进行助力或调小泵功率, 对此, 就需要知道泵消耗功率的变化率dx (t) /dt, 其控制原理图见图1所示。

图1中, 为了使整机的油耗达到较低的状态, 在发动机储备功率不足, 发动机就会掉速, 当掉速掉到一定程度时就会出现冒黑烟现象, 为了防止冒黑烟, 就需要在发动机功率不足的情况下进行辅助做功, 做功的大小由泵瞬时消耗功率与发动机的输出功率差值来决定。为此, 第一级模糊控制首先根据输入信号判断发动机在重载时欠缺的力矩。随后, 将推算出的力矩与超级电容的能量作为第二级模糊控制器的输入 (若电量够, 则维持原先的助力力矩, 不够, 需调低泵减压阀电流或降低力矩) , 最终推理出助力力矩及泵输出电流, 从而实现整机全功率匹配控制。通常用三角模糊数来表示发动机, 泵等部件的输入模糊数[5]。

为了验证上述模糊算法的正确性, 需要将它应用在混合动力挖掘机具体的模型上。

2 混合动力挖掘机整机动力模型的建立

混合动力挖掘机的整机系统部件主要由发动机, 电动机, 超级电容, 恒功率变量泵和环境于一体的综合性模型。这些部件有机配合, 共同影响着整机的运转。因此, 可以说, 部件的协调性越好, 整机的综合性能越高, 油耗就会越低[6]。

(1) 发动机模型

(2) ISG电机助力模型

(3) 超级电容模型

超级电容是回转电机的能源机构, 它放电量的大小决定着回转电机的最大回转力矩, 其放电曲线为:

(4) 恒功率变量泵模型的消耗力矩

因此, 其整机约束模型为:

因此, 发动机的最大输出力矩可表示为:

式 (1) 中McD为飞轮输出转矩, Mc是发动机转矩, η是有用力矩效率。式 (2) 中, C为电容值 (F) , U2为末端电压, U1为初始电压, u为超级电容的实际电压 (V) , Mg为电动机的助力力矩, n为电机转速 (r/min) 。t1为作用初始时间, t2为作用终止时间。式 (3) 中, E为超级电容幅值电压, U为超级电容实际电压。t为放电时间 (s) , R为电容电阻 (欧) 。式 (4) 中, Mp为液压泵需求力矩, p为双泵合流输出压力 (MPa) , q为变量泵的瞬时排量 (cc) , 为泵的比例减压阀电磁阀电流, k为排量与电流的比例参数。

3 仿真验证及试验结果输出

MATLAB与AMESIM在仿真方面各自都具有较强的分析处理性, 前者在设计控制算法中具有较强的优势, 而后者在模型关系处理比较清晰明朗。二者之间可通过联合仿真, 可以较准确的对系统进行分析处理。因此, 仿真模型的建立以二者作为建模平台。

3.1 混合动力挖掘机仿真模型建立

为了验证所提出的双层式模糊控制器的可行性, 在MATLAB中构建双层式模糊控制器如图2所示。该图中的S_FUNCTION为部件的挖掘机硬件的反馈参数, 反馈参数输出的四个参数 (pressure, distance, Volt, eng_spd) , 经过两级模糊控制器 (fuzzy calculate与fuzzy decision) 运算后, 将运算的结果再输入到硬件模型所描述的S_FUNCTION中去, 从而达到精确的控制。对于硬件模型而言, 如发动机, 超级电容, 电动机, 液压泵之间连接的关系图见图3所示。控制器 (Double fuzzy controller) 接收四个输入信号 (pressure, distance, Volt, eng_spd) , 见图3中虚线箭头所示, 经过计算后输出两路控制信号给电机系统与液压泵比例电磁阀 (current, torque) , 见图3中实线箭头所示。从而实线两级模糊控制。

3.2 仿真输出及实验分析

从表1可以看出, 二级模糊决策的混合动力控制系统发动机的最大降速为90 r/min, 小于传统的液压控制系统140;超调量与回调时间也较小。此外, 在油耗上, 二级模糊控制的一个循环周期油耗为15.3 g, 小于传统对泵调节的液压系统22 g, 从而验证, 二级模糊控制系统在仿真模型上对于传统的液控系统而言, 具有较高的能量利用率及节油性。

4 结束语

针对混合动力挖掘机部件间的能量匹配问题, 文章从混合动力挖掘机的发动机, 液压泵, 超级电容三者之间的能量匹配出发, 主要研究了以下几点:

1) 设计了一种二级模糊控制系统, 这种模糊控制系统能够根据部件及实际负载的状况动态的调整泵电流与电机的助力转矩, 在保证整机一定的工作效率的同时, 达到了发动机, 液压泵与超级电容三者之间能量的有效利用。

2) 通过仿真及试验对比, 对二级模糊控制系统的正确性与有效性进行了验证。结果表明, 这种控制策略能够有效的降低发动机的转速波动, 从而极大的降低整机的燃油消耗, 达到能量的高利用率目的。

参考文献

[1]常毅华, 何清华, 赫鹏.液压挖掘机功率协调控制节能系统研究[J].工程机械, 2006, 43 (3) :19-22.

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[5]朱传宝, 涂晓丹, 邓园.液压挖掘机节能控制系统研究[J].建筑机械技术与管理, 2011, 24 (5) :109-112.

混合匹配 篇4

目标跟踪在军事、安防、交通等领域应用极其广泛[1,2],目前是模式识别、图像处理等学科领域的热门研究课题。根据跟踪目标的数量,目标跟踪可分为单目标跟踪和多目标跟踪,两者的处理方式有很大不同。多目标跟踪涉及到目标特征相似或互斥情况,有时还需解决目标遮挡、重叠和分类问题[3,4,5]。单目标跟踪仅需选取目标单个特征即可[6,7]。

传统跟踪算法在视频分辨率低,帧图像模糊或噪声较多时跟踪效果较差。针对此情况,本文选择邻域特征、区域特征、运动方向特征和直方图特征等多个目标特征进行跟踪,并给出了联合特征代价函数以及数据关联运算方法。

1 相关工作

近年来,许多学者对单目标跟踪[4,5,6,7]和多目标跟踪[8,9,10]进行了研究。

文献[7]提出了TLD(Tracking-Learning-Detecting)算法。算法实现目标检测和跟踪同时进行,TLD算法使用NP学习方法检测和纠正跟踪过程中的错误,但NP不适合联合学习,在多目标情况下无法使用该算法。

文献[8]提出了一种基于视频的多目标跟踪算法。算法使用码本模型检测前景,提取每一帧的头部和脚部特征,根据几何约束关系计算目标高度,具有一定精度和鲁棒性。但码本模型仅适用于简单场景中的前景提取。

文献[9]提出标记点处理方法(Marked Point Processes,MPP)。算法能获取所有未知目标的后验概率,得出时空信息;并能识别和了解特定事件变化的外力。

针对复杂、低信噪比背景的红外小目标跟踪问题,文献[10]提出用阈值分割和形态学滤波检测目标,采用邻域轨迹和Kalman滤波跟踪目标,避免了噪声干扰。但跟踪的目标数量有限,也没考虑目标遮挡消失问题。

本文提出一种新的带图像分割的多目标跟踪算法。算法将多个有用的特征用于目标匹配,并设计了总代价函数,给出了代价函数的数据关联计算方法。实验视频结果证明,本文算法能获取良好的目标跟踪效果。

2 目标分割

本文提出的自动分割算法由四个步骤组成,如图1所示。

(1)进行局部双阈值处理;

(2)利用基于直方图反向投影的方法将两个不同阈值处理生成的二值目标掩码进行有效整合;

(3)利用区域和方差阈值移除噪声和干扰目标;

(4)对分割后的目标边界进行精提取。

2.1 局部双阈值处理

Otsu算法[11]是一种常用的阈值确定算法。通过Otsu算法确定的阈值可将直方图分为两类,使合并后的类内方差最小。利用Otsu改进型方法对每个区域选取自适应阈值。对于较暗的目标,阈值的大小需接近背景,位置的大小值为:

式中:τ是Otsu方法获取的阈值;μL(τ)表示直方图中经过阈值τ分类后获取较小的一类;p为偏移系数。利用式(1),通过设置不同大小的p可以获取两个阈值,即τlow=τ-plow(τ-μL(τ))作为低阈值,τhigh=τ-phigh(τ-μL(τ))作为高阈值。通过这两个阈值处理视频帧中的局部区域可获取两个相应的目标掩码Mlow和Mhigh,如文献[12,13]所述,利用一个3×3的中值滤波算子处理两个二值目标掩码。

2.2 直方图反向投影

由于两个目标掩码包含有不同数量的背景像素,所以通过两个目标掩码中像素分布的比较和聚合对分割边界进行精提取[14]。

首先,根据目标掩码的Mlow和Mhigh分别计算出两个灰度级别的直方图Hlow(r)和Hhigh(r)。任何灰度大小r的比例直方图定义如下所示:

其次,将比例直方图反向投影到视频帧域,即BP(x,y)=HR[I(x,y)],,其中,I(x,y)表示(x,y)所处位置的像素灰度值大小。对比例直方图HR(r)的反向投影进行阈值处理,二值分割掩码B(x,y)定义如下:

式中:θBP为范围在0~1之间的一个阈值。

2.3 区域和方差阈值处理

本文算法既利用直方图对掩码进行精确分割,还通过目标的区域和目标内像素值的方差去除区域内大于阈值上限或小于阈值下限的值。对于第k个分割目标Ok内的每个像素点(x,y),通过式(4)对其在前景掩码中对应的像素进行修改。

式中:A(·)表示目标区域;(θAL,θAU)为上边界和下边界内的阈值,用于判断像素点是否保留。

使用每个分割目标内像素的方差对候选目标进行检测。因前景目标拥有比背景或干扰目标更多的纹理特征,导致分割目标的方差可能更大。每个目标像素的方差为:

式中:表示第k个目标内像素的平均值。给定方差,利用式(6)对该目标的前景掩码进行阈值处理。

2.4 形态学处理

通过以上算法提取的前景目标,经常会出现一些噪声。例如,直方图反向投影在对目标边界进行精提取时会生成斑点。本文进一步利用形态学操作精确提取分割边界。首先利用结构元素对目标掩码做开形态学操作;然后进行闭合操作。平滑目标边界不会影响目标外形的细节信息[11]。

3 混合特征匹配跟踪

对目标进行分割后,利用混合特征进行快速匹配。本文所提跟踪算法利用目标整个寿命的时间相关性,而不仅仅是两个视频帧间的相关性。本文跟踪系统流程图如图2所示。

3.1 混合特征匹配

混合特征匹配利用各种有用特征测量目标间的相似性。对于在时间t和t-1处的目标Otj和Oit-1,本文对四个线索进行如下调查。

(1)邻域线索:给定欧式距离,其中xtj和ti分别表示在t时刻时目标j的观测坐标和目标i的预期坐标,利用运动预期方法获取目标预期结果。

(2)区域线索:为了消除区域间的视差问题,通过立体三角形计算目标的深度信息,对目标区域进行相应的归一化处理,使得多目标相对立体相机具有相同的距离。两个连续帧中关联目标间区域的差异十分微小,利用连接组件算法计算目标区域,用A(⋅)表示。时刻t的目标Otj和时刻t-1的目标Oit-1间区域的视差用|A(Otj)-A(Oit-1)|表示。

(3)运动方向线索:给定两个将要进行匹配的目标Ojt和Oit-1,本文用vi,jt=xjt-xit-1表示相应的运动向量。利用向量vi,jt和预定义参考向量vref间的角度θ(vi,jt,vref)表示运动方向,其表达式为:

根据运动趋势或者运动方向可以选取预定义的参考向量。

(4)直方图:本文采用32灰度级直方图间的距离矩阵。

综合以上四个线索,目标Otj和Oit-1间混合特征匹配的相似度如式(8)所示:

在本文所有视频数据的每帧图像上通过收集所有混合特征匹配候选者的特征值,系统计算出标准偏差。

匹配代价定义如式(9)所示:

式中{σ}表示特征的标准偏差。

3.2 Viterbi数据关联

在本文提出的Viterbi数据关联[15]系统中,所利用的立体信息是指匹配目标的立体信息,即视频帧中相同的目标作为一个目标进行观察以执行跟踪,为此,需要计算混合特征匹配代价的总和,即cijstereo(t)=cLij(t)+cRij(t)。其基本思想如图3所示,框架是一种有向图,每个节点在其寿命中都含有单独的框架、开始节点(三角形)和结束节点(正方形)。彩色箭头标记每个框架中的最优路径。从图3可以看出,节点被划分为有序子集N(t)={nj(t)|j=1,2,...,|N(t)|},其中t=1,2,...,T,边aij(t)连接相邻子集{ni(t-1),nj(t)}中任意的配对节点。节点表示一帧中存在的目标,将每个边界设定为cij(t)。一条路径(一系列的边)的总代价为:

其中:

3.2.1 单目标跟踪

对于单目标跟踪,本文利用文献[15]寻找最小代价。利用零代价和初始化一个节点的观察值,根据式(9)获取每个节点nj(t),j=1,2,...,|N(t)|。设定一个节点nj(t)的前身和累积代价分别为:

目标一旦离开视频边界,即到达框架的最后一级,则执行回溯。在最后一级中,以代价最小的节点开始执行回溯,根据事先在每一级中存储的数据遍历第一级以发现最优路径。

3.2.2 多目标跟踪

每个目标的起始帧可能不同,每个节点处的前期和最小代价也可能不同。本文为每个目标创建一个单独的框架进行跟踪,如图3所示。根据式(11)和式(12),利用所有观测值分别对每个目标进行数据关联,其中大多数错误警告都是在分割后处理阶段产生的,因此分割区域通常较小。对观测的位置和区域进行测试以将新目标和错误警告区分开来。因此,仅当目标的预期位置距离帧边界很近时才设定这个目标的跟踪过程结束,这也阻止了因暂时遮挡而引起的目标删除。其实就是为每个目标设置存活时间。图3中给出了目标跟踪总体框架,图中节点在任何阶段都允许包含多个路径。

数据关联中需要更新目标的位置和速度,设定帧t-1时刻第k个跟踪目标的位置和速度分别为xkt-1和vkt-1,当前帧预期的目标位置为。数据关联后,选取代价最小的观测节点更新位置和速度,即:xkt=xj*t,vkt=αvj*t+(1-α)vkt-1,其中,xj*t和vj*t分别表示代价最小观察节点的位置和速度,α表示更新比例。每一帧的数据关联及总结算法如下所示:

4 实验结果与分析

4.1 参数说明及度量函数

视频帧的尺寸为1 280×768像素,帧率为8 f/s。本文利用形态学做开操作时结构元素设定为7×7像素大小的模板(7×7为一个经验值),表1为根据经验设定的形态学操作模板中的参数大小。

为了对多目标跟踪的精度进行评估,本文设计了两种类型错误:假阳性(FP)和假阴性(FN),两种类型错误的权重相同。本文规定了真阳性(TP)的数量并提供了运动目标总的个数。运动目标总的个数(TO)是所有图像帧中目标的总和。主要跟踪(MT)和主要丢失(ML)的分数进而测量有多少跟踪成功或丢失,算法的精度分别定义为:

4.2 单目标跟踪效果分析

图4所示为一段比较模糊的足球比赛视频序列帧。从图4可以看出,比赛双方运动员中的一方穿着相同,很难直接辨识。利用本文算法对图4单目标进行跟踪,并将实验结果与文献[4]提出的粒子群优化算法(PSO-PF)和文献[5]提出的局部背景加权算法(CBWH)进行比较。图4(a)所示为本文算法结果,从图中可以看出,选择的运动员基本定位完整。即使有很多类似特征的运动员,因采用了目标运动方向特征和时间信息,目标也能准确定位,图4(b)和图4(c)分别是CBWH和PSO-PF跟踪结果,可以看出CBWH在第三帧已偏离目标,PSO-PF在第二帧已偏离目标。比较三种算法,本文算法精确性能明显优于CBWH和PSO-PF两种算法。

此外,测试了CBWH算法[5]和TLD算法[7]所使用的部分视频,表2为各算法的跟踪准确率比较。跟踪准确率是指正确分割锁定目标的时间比上总时间。总体来说,本文提出的单目标跟踪算法跟踪准确率高于其他两种算法。

4.3 多目标跟踪效果分析

图5为一段分辨率比较低的鱼类视频序列帧。从图中可以看出,帧背景比较黑暗,图像中目标姿态不断变化。利用本文算法对图5多目标进行跟踪,并将实验结果与文献[9]提出的标记点处理算法MPP和文献[10]提出的多目标Kalman跟踪器进行比较。图5是本文算法与MPP和Kalman的跟踪分割结果图。图5(a)是本文算法结果,可以看出目标基本完全定位,图5(b)和图5(c)分别是MPP和Kalman跟踪结果,其中红色框是漏检的目标。从图5可以看出,本文算法漏检率明显低于MPP和Kalman算法。表3是精度和召回率比较,其中实验总体目标数目设置为90个。从表3可以看出,本文算法精度和召回率明显优于MPP和Kalman算法。

5 结论

本文提出一种基于混合特征匹配的多目标分割跟踪算法,算法可用于低对比度的多目标跟踪。算法中采用的局部双阈值能克服低对比度和噪声对目标跟踪的影响,并利用直方图反向投影进行外形分割结果,利用四种特征进行目标匹配,并设计了总体代价函数以及代价函数的数据关联计算。实验结果表明,本文算法取得了较高的跟踪成功率,具有很好的实际应用价值。

下一步的研究内容是对于不同的场景,如何自适应地选择有效特征进行目标匹配。

摘要：传统跟踪算法在视频分辨率低、帧图像模糊或噪声较多时跟踪效果较差。针对此情况,提出一种混合特征匹配结合Viterbi数据关联的目标跟踪算法。首先,采用直方图反向投影技术对双局部阈值图像中的目标边缘进行有效分割,克服了低对比度问题;然后,将邻域特征、区域特征、运动方向特征和直方图特征作为目标表征特征,建立混合特征代价函数;最后,采用Viterbi数据关联计算代价总和,求得最相似目标。实验结果表明,在帧图像模糊或噪声较多的情况下,目标跟踪稳定且有效,单目标跟踪准确率为0.89,多目标跟踪精度达0.975,召回率达0.920,优于其他几种同类跟踪算法。

混合匹配 篇5

为了满足风能、太阳能等波动性可再生能源大规模并网的需求,基于电压源型换流器的多端直流输电系统(VSC-MTDC)的研究引起国际上越来越多的关注和重视,一批基于VSC-MTDC的多端柔性直流输电示范工程已经建成投运,直流电网的研究也方兴未艾。

然而,VSC-MTDC线路上一旦发生短路故障,相当于换流器直流侧的电容直接放电,其短路电流会快速上升,最大值可达数十千安。过快的电流上升率将带来热量集中、电弧火花、电磁应力等问题,同时因为换流器中有反并联的二极管会形成不控整流桥,所以单纯通过控制换流器是无法切断故障电流的,短路电流甚至会损坏换流站[1,2]。发展快速大容量的高压直流断路器是解决这个问题的有效方法,然而,对于直流断路器而言,现有IGBT/IGCT等电力电子器件的过载能力并不十分理想,而且只能承受有限的电流和电压变化率。若要求采用电力电子器件开断故障电流,则直流断路器在故障电流上升到一定值之前必须完成开断,这对直流断路器的快速开断提出了很高的要求;同时,高压大容量的快速机械开关也面临灭弧困难的问题。因此,即便采用快速机械开关和电力电子开关相结合的方式,目前所能达到的快速开断能力也是有限的。

如果能够在VSC-MTDC线路中串入短路故障限流器(FCL),采用限流器抑制故障电流的大小和上升速度,就可有效降低直流电网故障对断路器开断容量的要求。目前关于直流故障限流器的研究主要有电阻型[3,4,5]、电感型[6,7]、阻抗型[8]。文献[9]针对电感型限流器开展研究,针对潮流反转时,电感会对潮流控制的灵活性产生不利影响的问题,提出利用超导电阻型限流器的设想。但是该文献中利用超导电阻限流存在严重的不足,首先,文中针对200k V电压等级的断路器需要的失超电阻高达25Ω,如此大的阻值需要的超导带材用量无论从体积和造价都很大;其次,作者研究了带材失超后,限流器承受的电压高达212.5k V,较高的电压等级意味着体积的进一步增加;另外,从故障发生到发送开断信号用于故障检测的延迟时间高达20ms,在这段时间内,通过超导电阻限流时,电阻长时间通过较大的故障电流,给带材的能量耗散及带材的失超恢复带来困难。文献[10]针对直流机械断路器与超导限流器的配合问题进行了研究,故障后通过与断路器串联的超导带材的限流,使得断路器的开断电流减小,降低了短路故障对直流系统的影响。文献[11]针对限流式混合直流断路器的限流开断特性进行研究,限流电路由电感和能量释放回路构成,通过限制短路电流上升率降低对机械开关速动性的要求。

为了使断路器达到最佳的开断效果,需要研究直流混合型断路器与限流器的限流开断配合问题,并分析限流类型及参数对断路器开断过程的影响。本文就这一问题展开了初步的研究。

2 直流混合型断路器的开断原理及其发展现状

混合型直流断路器的基本拓扑结构如图1所示。它将机械开关与电力电子器件结合。正常情况下由机械开关导通电流,通态损耗较小;故障情况下,首先导通固态开关,然后分断机械开关,利用机械开关分断时产生的电弧电压为固态开关(已施加触发脉冲)建立阳极正向电压,使其顺利导通;固态开关导通后,由于开关触点间电弧电阻大于固态开关导通电阻,使得电流能够自然地从机械开关换流至固态开关,从而保证机械开关在低压小电流下顺利分断;机械开关分断后立即关断固态开关,从而切断电流通路。

混合式直流断路器用快速机械开关来导通正常运行电流,用固态电力电子器件来分断短路电流,结合了机械开关良好的静态特性与电力电子器件快速关断的动态性能,具有通态损耗小、开断时间短、寿命长等优点,是目前高压直流断路器研发的新方向,具有广阔的应用前景[10,11]。

2012年ABB公司研制出基于IGBT的320k V/2k A等级的混合型直流断路器[12],拓扑结构如图2所示,主要包括旁路开关支路(快速机械隔离开关+辅助直流开关)和主直流开关支路(半导体断路器+避雷器组)。

2014年阿尔斯通公司(ALSTOM)研制出120k V/2k A等级的混合式高压直流断路器,结构原理图如图3所示。该混合式高压直流断路器也采用机械开关与半导体固态开关相结合的混合型结构[13],但其转移支路由多个模块级联构成,模块中采用晶闸管而不是IGBT,并且每个模块中的避雷器动作电压逐渐递增。

2015年国网智能电网研究院(SGRI)研发了200k V等级的混合型断路器[12],结构如图4所示。主要包括主开关支路(快速机械隔离开关+H桥)、电流转移开关支路(H桥半导体断路器)和吸收支路(避雷器组)。

上述三种混合式高压直流断路器的性能参数比较如表1所示。由此可见,目前主要的直流断路器的电压在120~320k V左右,而电流开断能力最大达到15k A,难以满足实际运行的VSC-MTDC系统的要求,通过FCL的串入,可以有效提升直流断路器的开断能力。

3 直流混合型断路器的建模分析

考虑到目前智能电网研究院和ALSTOM公司尚未公布其直流混合型断路器的详细设计参数,本文以ABB公司的320k V/2k A混合型直流断路器为对象(如图2所示),利用PSCAD/EMTDC软件进行建模分析。图5为断路器仿真模型及其开断过程电流转移波形图,ICB、Iline、IR、IIGBT分别为机械开关、线路、避雷器、IGBT的电流。

当直流线路正常运行时,主直流开关处于断开状态,快速隔离开关和辅助直流开关导通并流过直流电流。当在1s时刻发生短路故障时,经过500μs延迟用于故障检测和逻辑判断,首先导通主直流开关,关断辅助直流开关,系统开始换流,线路上的电流转移到主直流开关上,此时辅助直流开关承受主直流开关的导通电压,一般小于1k V,属于其耐受范围内。当流过快速隔离开关的电流为零时,快速隔离开关迅速打开以保护辅助直流开关避免遭受过电压。在1.0025s快速隔离开关成功断开后,主直流开关断开,用于限制故障电流上升率的限流电感LB中的能量通过与主直流开关并联的Zn O避雷器吸收,短路电流下降。当故障电流下降到零时,在1.005s打开剩余电流直流开关将故障线路隔离,防止避雷器热过载。

图6为开断过程中IGBT单元和快速隔离开关的电压波形及Zn O避雷器消耗能量。由于IGBT关断速度极快,可在μs级内完成关断动作,在1.0025s主直流开关关断瞬间,线路电感中储存的能量将在IGBT器件和机械开关两端产生较大的过电压,该过电压有可能导致绝缘薄弱的地方产生火花甚至导致IGBT模块损坏。

图6(b)为主直流开关关断后,Zn O避雷器导通耗能。为了体现开断过程能量消耗情况,在剩余电流直流开关打开后,没有考虑散热条件,因此使得能量维持不变,实际上在散热条件下曲线应该下降。尽管电力电子型断路器最大的缺点是通态损耗大,但该混合型断路器由于主直流开关只有在发生直流侧故障时导通,因此其不需要散热系统。辅助开关导通电压是一个IGBT和反并联二极管的导通电压之和,约为3~5V,当直流线路正常运行时流过的电流为2k A,其导通损耗为10k W,只需要小型的散热装置。相比于由多个IGBT串联构成的固态型断路器,其开关通态损耗要小得多,例如电压等级为4.5k V的单个IGBT,导通压降可以达到3.3V左右。若装设于320k V的直流输电线路,线路中串联的IGBT开关至少需要72个(考虑过电压时,数量还要更多),那么单台IGBT开关的导通压降约为238V,在通过数千安的正常电流时开关的通态损耗要大得多。

4 加装故障限流器的开断过程仿真分析

基于ABB直流混合型断路器的研究,在限流器和快速断路器接入电网的前提下开展故障限流开断研究。故障电路原理如图7所示。在直流线路发生故障后,通过限流器抑制故障电流的上升速度和幅值,从而降低对断路器开断容量的要求。

VSC-MTDC直流网络直流侧短路故障情况包括:(1)正、负极性直流母线的线间短路;(2)正极性直流母线对地短路;(3)负极性直流母线对地短路。两极短路故障发生的概率虽然比单极接地故障低,但其后果更加严重,本文以两极故障为例。另外,在限流器和断路器的接入方式上,往往是正极线路和负极线路都要接,研究时,认为它们的参数和操作是完全一致的,以一个极性安装为例进行故障分析研究。

图7中,CB为直流断路器,FCL为故障限流器,可以是电阻、电感或阻抗型(电阻+电感),且其参数值可以合理选择。在此模型的基础上,本文主要开展混合型断路器与限流器的配合问题研究,在短路故障发生后,通过投入不同类型及不同限流参数的限流器来限制短路电流,使得断路器更容易开断。研究的重点在于以断路器的最大开断电流、开断瞬间IGBT和快速隔离开关承受瞬态过电压的峰值为研究对象,探索限流器对开断过程的影响。

混合式直流断路器的开断时间主要取决于内部的快速隔离开关,实现混合式直流断路器在2ms时间内开断电流的关键是设计制造出能在2ms内开断的快速隔离开关。因此除了快速分断操作机构外,还需要保证快速隔离开关的耐压等级足够高,因为在主断路器支路关断瞬间快速隔离开关会遭受瞬态过电压,所以开断过程的过电压是能否实现断路器成功开断的重要因素。

假设短路故障发生在1s时刻,通过投入限流器进行故障电流限流,实现快速断路器的故障电流切除。下面分别针对不同类型限流器的限流作用,开展断路器的开断特性研究。在PSCAD/EMTDC下搭建仿真系统[14],如图8所示。模拟正常运行与故障发生后电容放电阶段的限流开断过程,正常运行时直流电源提供正常运行电流同时为电容充电;BRK2闭合,短路故障发生后刀闸BRK1、BRK3打开,形成了电容经故障线路的放电回路。图8中CB即为混合直流断路器及其触发控制电路和波形显示电路的封装结构,仿真模型参数如表2所示。

4.1 电阻型限流器

图9为电阻型限流器限流时的开断波形。由图9(a)可知,短路故障发生后,在换流之前的时间段内通过机械开关的电流迅速上升,在固定的故障检测触发时间内,限流电阻越大,通过机械开关的电流峰值越小。之后在1.0005s换流后,通过主直流开关的IGBT故障电流继续上升(见图9(b)),但是从图9(b)中可以看出,针对开断9k A的故障电流,需要的电阻值高达35Ω,若用超导带材实现限流,那么带材的需用量和造价以及限流器体积会很大。图9(c)中随着限流电阻值的增加,IGBT单元两端的峰值电压变化很小,这是由于当主直流开关关断后电流换流至Zn O避雷器耗能,虽然限流电阻不同,所分担的电压不同,造成IGBT两端电压不同,但限流阻值和Zn O避雷器相比变化幅度不大,因此阻值的变化造成电压差异较小,但在开断后IGBT端电压达到相同值。

由图9(b)可知,故障发生后,从换流过程开始到主断路器支路断开期间,电容的能量逐渐被电阻消耗,电流上升较平缓,但在换流之前的故障初始阶段内电流已上升到较大值(见图9(a)),使得IGBT在这段时间内长时间承受较大的故障电流,这对IGBT器件的电流耐受能力带来挑战,造成关断损耗较大,较大的损耗还增加了对散热系统的投资。

以上分析说明在电力电子型断路器开断过程中,电感的作用尤为重要。故障发生后,故障电流迅速上升,如果电感值太小,可能超过器件的最大承受di/dt能力。因此下文以感抗型限流器和阻抗型限流器为对象进行研究。

4.2 电感型限流器

故障后串入线路的电感虽然会因储存的能量造成开关关断困难,但电感会限制故障初始阶段电流的上升速率,使得电流在短时间内幅值有所降低,有利于开断。而且对混合式直流断路器的设计要求与电感值的大小有重要关系,当VSC-MTDC发生直流侧故障,直流侧相当于一个恒压源,电压值等于线路的输电电压。此时若忽略线路电阻,则故障电流呈线性上升,电流上升的速度主要取决于直流侧电感值的大小。下面通过改变限流电感值进行开断特性分析。

图10为电感型限流器时的限流开断过程电流。由图10(a)中机械开关电流ICB可以看出,在固定的故障检测触发时间内,故障电流上升到4k A,相比于图9(a)中电阻限流时换流之前机械开关的电流就已经到达7k A,说明利用电感限流时故障电流上升率要明显小于电阻限流时,电流变化率过大不仅可能使得器件承受的电流变化率超过其允许范围而损坏,而且会造成主直流支路关断瞬间在断路器两端产生较大过电压。同时机械开关支路故障电流大造成一方面需要更多的IGBT并联流通大的电流,另一方面增加机械开关电流过零时间。同样,在换流过程中,不同于图9(b)中电阻限流的情况下IGBT较长时间通过较大电流,故障电流逐渐上升至最大值,电流上升的速率随着电感值的增加而减小。按照断路器2ms的固定开断时间,若电感值很大,则电流上升速度慢,可降低其开断过程机械开关流过故障电流的幅值,对断路器开断能力的要求可以适当降低,这样其成本也可以降下来;然而电感值越大,电抗器本身的体积和成本会上升,还会影响VSC-MTDC潮流控制的灵活性。反之,若电感值很小,则电流上升速度很快,对断路器开断电流的能力要求很高,开断过大故障电流的快速直流断路器不仅难以制造,其成本也会过高。因此,需要选取适当的电感值,既可以抑制电流的上升速度,保证VSC-MTDC的直流侧电压不严重跌落的情况下迅速可靠地开断直流侧故障电流,又能兼顾经济性等因素[15]。因此,下面开展故障限流过程中感抗型限流器参数的分析计算。

4.3 电感限流条件下,断路器断开故障电网的分析及限流电感参数计算

图11为故障线路简化等效电路图。其中Udc为故障初始电容放电阶段等效电源,Ldc和Rdc分别为线路电阻和电感,LB为限流电感,Rl为负载,开关S模拟短路故障,线路参数根据文献[16,17,18,19]中已有参数分别取0.07Ω/km、0.05m H/km,线路长取10km。故障发生瞬间,电感限流器进行限流,根据电感电流在故障前后瞬间不会突变,由稳态运行可得:

则故障后线路电流为:

由此可得故障电流变化率为:

可求得故障电流最大上升率为:

根据文献[14,20]中故障电流最大上升速率一般为3.5~10k A/ms,按照3.5k A/ms分析计算,由式(1)~(4)可求得电感值为91.9m H。

表3为改变限流电感的大小,研究开断的最大故障电流及关断瞬间IGBT单元和机械开关承受过电压的情况。随着限流电感值的增加,流过断路器的最大故障电流明显减小。尽管UIGBT和UCB也随着电感的增加而有所减小,但相比于利用纯电阻限流时(UIGBT为91.2k V),其过电压峰值明显要高很多,这是电感限流器用于故障限流的缺陷。

4.4 阻抗型限流器

当所匹配的限流器类型为电阻和电抗时,故障发生后既可以限制故障电流的幅值,又可以抑制故障电流上升速率。根据4.1.3节电感参数的分析计算,该部分取定电感值L为91.9m H,通过附加小的限流电阻研究阻抗型限流器对断路器开断过程的影响。

图12为阻抗限流时的限流开断波形。其说明限流电感值固定在91.9m H时,无论从电流还是能量角度考虑,附加的电阻对断路器的开断更有利。表4为电流和电压的变化情况。

由表4可知,随着电阻的增加,开断的最大故障电流减小。虽然电压变化很小,但与纯电感限流器时相比有所减小。综上可知,当故障限流器为电感型时,额外附加的限流小电阻的增加,将有利于断路器的顺利开断。如果降低限流电感,增加电阻(超导限流器),在故障电流的上升率和稳态值满足直流开断要求条件下,超导限流器在直流稳态运行时无损耗和压降,潮流控制的灵活性也会提升。

5 结论

根据不同的限流类型和参数值,得出直流混合型断路器与限流器的匹配原则:

(1)若利用电阻型限流器进行限流,首先,需要的限流电阻较大,所需的超导带材多、造价高、体积大;其次,限流过程中通过IGBT器件的故障电流大,较长时间通过大电流,不仅对器件的电流耐受而且对超导带材的能量耗散和失超恢复带来挑战。

(2)若利用感抗型限流器进行限流,故障后抑制故障电流上升速率,对IGBT器件本身的实用特性更有利。但是电感限流的缺陷是过电压问题,给断路器的绝缘设计带来困难。

(3)在电力电子型断路器的实用中,器件本身的电流变化率、浪涌电流峰值等参数是关键限制因素,因此,阻抗型限流器更适合于混合式断路器,附加的限流电阻不仅能减少故障电流值,而且可以降低暂态过电压。