自循环发电机技术（中科院学者提出自由活塞内燃直线发电机的高效控制方法）

自由活塞内燃直线发电机取消了传统内燃机的曲柄连杆机构，将内燃机的活塞与直线电机的动子直接相连，活塞带动直线发电机动子在内燃机和气体弹簧之间往复运动切割磁感线，输出电能。由于取消了曲柄连杆机构，系统的机械损耗大大减小，且压缩比可变。因此，自由活塞内燃直线发电机具有燃料适应范围广、整机效率高、偏载磨损轻等优点，可应用于新能源汽车、孤岛发电、船舶潜艇等多种场合。

图1 自由活塞内燃直线发电机结构原理

但由于取消了曲柄连杆机构，活塞的运动不再保持固定轨迹，特别是在燃烧爆炸产生的非线性、大扰动的推力下，高频往复运动的活塞轨迹难以确定。因此，发电机绕组中产生的感应电动势并非正弦曲线，输出功率在较大时间尺度上发生周期性波动。

毛莲莲等研究了发电机输出侧的AC-DC变换器，通过双闭环控制和解耦变换，得到了较为稳定的直流侧电压，但是忽略了自由活塞内燃直线发电机输出功率和转换效率的提升。陆益民等提出直接功率控制方法进行自由活塞直线发电机的功率控制，利用功率滞环比较器得到控制信号，但是系统的控制精度受滞环宽度和采样周期限制，且变化的开关频率会造成严重的器件损耗和噪声问题。包广清等将无差拍预测控制应用到永磁直线发电机的控制中，克服了传统控制算法中高频开关带来的噪声和器件损耗，但工作条件过于理想，无法适用于直线发电机的真实工况。

在传统的旋转发电机领域，常通过提高控制器的瞬态响应和鲁棒性来提高系统效率，然而传统的旋转发电机绕组中的感应电动势接近于正弦波形，输出功率基本恒定，因此能够实现理想的控制效果。但是自由活塞内燃直线发电机的运行工况是非线性的，绕组内感应电动势呈非正弦状态，对控制算法的预测精度和动态响应提出了更高的要求。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所、西南交通大学机械工程学院的研究人员李征、邱书恒、陈飞雪、张驰、肖世德，在2022年《电工技术学报》上撰文，以自由活塞内燃直线发电机为研究对象，提出一种基于预测算法的高效控制策略。通过预测算法计算系统预期的瞬时功率，利用空间矢量脉宽调制施加准确的电压矢量，进而减少系统的功率损耗，提高发电效率。

图2 预测功率控制算法

相较于传统的直接功率控制，该策略针对自由活塞内燃直线发电机高频时变的发电特性，一方面克服了因脉宽调制开关信号延迟问题导致的效率损失，另一方面减少了因开关频率不固定而产生的噪声和损耗。

图3 不同算法作用原理比较

他们搭建了基于Matlab/Simulink的控制系统模型，并在自由活塞内燃直线发电机的工况下对两种算法进行仿真对比。仿真结果证明这种高效控制策略具备良好的动态响应和瞬态跟随性能，相比传统的直接功率控制策略提升系统效率3.1%。因此，对于自由活塞内燃直线发电机这类高频时变输入的系统，采用预测直接功率控制算法（Predictive Direct Power Control, P-DPC）控制策略是适合的。

本文编自2022年《电工技术学报》增刊1，论文标题为“基于预测算法的自由活塞内燃直线发电机高效控制策略”。本课题得到了国家重点研发计划、宁波市国际科技合作计划、宁波市创新团队和中科院STS项目的支持。