船用柴油機組調速系統仿真研究

張安明 李玉生 王 偉

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧 大連116005 2中國艦船研究設計中心，武漢430064

船用柴油機組調速系統仿真研究

張安明1李玉生1王 偉2

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧 大連116005 2中國艦船研究設計中心，武漢430064

模擬電力系統的模擬研究中，柴油機及其調速系統直接影響系統機電暫態過程的準確性，對于判別系統受到大擾動后的暫態穩定和受到小擾動后的靜態穩定性具有重要意義。從電站柴油發電機組的運動方程出發，在柴油機及其調速器數學模型的基礎上，利用數字仿真計算機實時計算模擬轉矩指令，用以控制一套高性能交流調速系統，從而實現電站柴油發電機組中柴油機及其調速器與系統轉動慣量的數模混合模擬。實驗表明，該模擬系統通用性強，響應速度快，準確性較高。

電力系統；柴油機；調速系統；動態模擬

1 引言

在電力系統模擬研究中，柴油機及其調速器模擬的準確程度直接影響到模擬系統機電暫態過程的真實性和準確性。柴油機及其調速器的模擬通常采用數學模擬方法計算，并由相應的功率放大裝置實現其物理功能［1］。根據模型實現方式的不同，常用的模擬系統可分為模擬實現［2－3］和以轉速為控制對象的數字實現［4－5］兩種方式。

模擬實現方式依賴于模擬電動機和控制系統的物理性能和參數，其數學模型不易改變，通用性較差［6］；數字實現方式中的數學模型相對獨立，具有較強的靈活性，但它向調速系統發出的是轉速指令，調速系統中電動機的轉速調節受到轉動慣量的制約，轉速跟蹤是一個較慢的機械過程。因此，模擬系統的輸出轉速將明顯滯后于實際系統，模擬的準確性受到影響。

本文從實際發電機組的運動方程出發，在建立柴油機及其調速器數學模型的基礎上，考慮了發電機組軸系轉動慣量的補償，利用數字仿真計算機實時仿真計算，獲得模擬轉矩指令，用以控制一套高性能交流調速系統，從而實現發電機組中柴油機及其調速器以及系統轉動慣量的數模混合模擬。實驗表明，該模擬系統通用性強，響應速度快，模擬結果更為準確。

2 模擬系統的設計思想

電力系統模擬研究中，柴油機發電機組的運動方程為：

式中，J1為柴油機發電機組的轉動慣量；ω1為柴油機的角速度；Tm為柴油機的驅動轉矩；Tf1為柴油機發電機組的空載損耗轉矩；Tl1為柴油機發電機組的負載轉矩。

由式可知，轉動慣量一定時，發電機組的轉速因轉矩的作用而改變。因此，模擬柴油機及調速器動態性能的關鍵在于轉矩的模擬。在一套由數字仿真計算機、變頻器、異步電動機等設備組成的柴油機及調速器模擬系統（圖1）中，只要使模擬系統的轉動慣量和轉矩的標幺值與實際系統的標幺值相等，就可以準確地再現實際系統柴油機及調速器的動態過程［7］。

圖1 模擬系統的原理框圖Fig.1 Functional block diagram of simulator

3 轉矩的模擬

式（1）中，柴油機的驅動轉矩由柴油機及調速系統的數學模型得到。由若干個線性段逼近實際柴油機速度特性曲線的方法［8］建立柴油機數學模型，建模時考慮柴油機轉矩延遲［9］的影響；電子調速器按照其構成原理可視為PID調節器；電磁執行器可視為一階慣性環節。模擬系統的數學模型如圖2所示，圖中，k1、k2、T1、T2、T3分別為相應的比例系數和時間常數。

數字仿真計算機按照圖2所示的數學模型實時仿真計算得到柴油機的驅動轉矩，并按照串行通信協議以轉矩的方式控制由變頻器和異步電動機構成的高性能交流調速系統實現驅動轉矩。

圖2 柴油機調速系統數學模型Fig.2 Mathematical model of diesel governor system

模擬系統中電動機轉矩的實現為一個響應極快的電磁過程，可以認為模擬系統的驅動轉矩是瞬時實現的，忽略其動態過程對模擬系統性能的影響。此時，圖1中G2（s）G3（s）＝k，即認為變頻調速系統僅是一級功率放大裝置，用于實現數字仿真計算機實時運算得到的驅動轉矩。

柴油機發電機組的空載損耗轉矩Tf1由被模擬的實際柴油機發電機組實測得到，并由變頻器按照大小為Tf1－Tf2（Tf2為模擬系統中電動機－發電機組空載損耗轉矩）的轉矩驅動異步電動機實現。

柴油機發電機組的負載轉矩由負載的性質決定，負載模擬可以按照相似原理用模擬發電機或其他物理模擬方式實現，這里不作詳細討論。

4 轉動慣量的模擬

一般而言，經過標幺化處理的模擬系統轉動慣量與實際柴油機發電機組的轉動慣量并不相等。必須采取適當的補償措施才能實現對實際柴油機發電機組轉動慣量的模擬。常用的轉動慣量補償方法有飛輪調整法和轉矩補償法［10］等。飛輪調整法簡單易行，但調整數值級數較少，且只能增加慣量。轉動慣量的轉矩補償法實質上是對模擬系統轉動慣量的數字化補償，較為靈活和通用，可以實現無級補償。

本文采用基于擴展模型參考自適應（MRAS）的轉動慣量轉矩補償方法，對模擬系統轉動慣量進行補償，其原理框圖如圖3所示。轉動慣量的數字化補償環節同模擬系統中發電機組的轉子軸系上的轉動慣量一同構成了對實際柴油機發電機組軸系轉動慣量的數模混合模擬。必要時還可與飛輪調整法混合使用，具有較強的適應性。

圖3 擴展MRAS方法的控制框圖Fig.3 Control strategy block diagram based on extended MRAS method

圖3中J1為實際系統的轉動慣量；J2為模擬系統的轉動慣量；Tf2（s）為模擬系統的空載損耗轉矩；Tl2（s）為模擬系統的負載轉矩；Te（s）為模擬系統的驅動轉矩；ΔTi（s）為模擬系統的轉動慣量補償轉矩；ω2（s）為模擬系統的角速度；kcp和kci分別為自適應機構的比例系數和積分系數。

擴展MRAS法首先以實際柴油機調速系統為參考模型，估算出當前時刻的目標角速度ω1，然后將測得的模擬系統電動機轉子角速度ω2與目標角速度ω1之差經過自適應機構調節，得到模擬系統轉動慣量補償所需的電磁轉矩。

由圖3可知，擴展MRAS法的轉動慣量補償環節實質上是一個特殊的速度閉環跟蹤系統，其傳遞函數為：

由式（2）可得擴展MARS法轉動慣量補償環節的極點為：

式（3）中J1、J2、kci和kcp均大于零，模擬系統的極點均位于復平面的左半平面，系統穩定。轉動慣量補償環節的時間常數，只要恰當選擇自適應機構的積分系數kci就可以使模擬系統中轉動慣量補償環節具有足夠快的響應速度，認為模擬系統轉動慣量補償轉矩是瞬間實現的，可忽略其動態過程對模擬系統性能的影響。

轉動慣量的補償轉矩也由數字仿真計算機實時運算，與柴油機的模擬轉矩合成后，按照轉矩控制的方式控制高性能交流調速系統實現。

5 模擬系統的構成

按照上述模擬系統設計思想建立的柴油機及調速器仿真平臺如圖4所示。模擬系統中，數字仿真計算機采用主頻為2.4 GHz、內存為256 M的工控機，用于實現上述數學模型的運算并控制變頻器驅動異步電動機實現轉矩。變頻器采用30 kW的西門子MM440矢量控制變頻器，用于驅動額定功率為30 kW的異步電動機，作為模擬系統的功率放大裝置。工控機與變頻器之間的通信按照USS協議由RS－232串行通信完成，每轉可以產生600個脈沖的增量式光電編碼器與研華PCI1711多功能數據采集卡一同構成模擬系統的轉速測量環節，用于模擬系統的轉速反饋。

圖4 模擬系統的硬件實現Fig.4 Hardware structure of the simulator

6 模擬系統性能的實驗驗證

采用上述模擬系統對額定功率為3 000 kW，額定轉速為1 000 r／min，機組轉動慣量為793.127 kg·m2的某型柴油機及調速系統進行模擬，驗證系統對實際柴油機及調速系統的模擬能力。分別對模擬系統施加按照0→60%PN→100%PN→0（PN為模擬系統中按照相似原理制造的同步發電機的額定功率）突變的有功負載，實測得到反映模擬柴油機及調速系統動態過程的曲線如圖5所示。圖5中，負載突變后，模擬系統的轉速按照實際柴油機調速系統的特性，經過經短暫的波動后快速恢復到穩定狀態。運算得到反映柴油機調速系統動態性能的瞬態調速率和穩定時間如表1所示。

圖5 模擬系統的動態性能實驗曲線Fig.5 Measured dynamic characteristics curves of the simulator

表1 模擬系統的動態特性Tab.1 Dynamic characteristics of the simulator

表1中，模擬系統的瞬態調速率和穩定時間的相對誤差均小于5%，模擬效果較好，基本上可以反映出實際柴油機調速系統的動態過程。

7 結論

本文提出基于轉矩跟蹤和轉動慣量補償的數字化模擬系統，實現了對柴油機及其調速器動態過程的準確模擬，可用于研究各種情況下電力系統機電暫態過程。在本模擬系統中，通過更換不同的數學模型，也可模擬其他種類的原動機和調速器，例如，水輪機、汽輪機和風力機等陸用大型電力系統中原動機及其調速器。此外，類似的系統也可應用于船舶推進、汽車動力等領域的研究。

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Simulation Study on Diesel Engine Speed Governor

Zhang An－ming1Li Yu－sheng1Wang Wei2
1 Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd，Dalian 116005，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

electric power system；prime mover；speed governor system；dynamic simulation

TM743

：A

：1673－3185（2011）04－92－04

2010-07-03

“十一五”海裝預先研究項目

張安明（1976－），男，碩士，工程師。研究方向：艦船電氣。E-mail：zhanganming＠tsinghua.org.cn

李玉生（1977－），男，工程師。研究方向：艦船電氣。E-mail：liyusheng＠sina.com.cn

王 偉（1977－），男，工程師。研究方向：艦船電氣。E-mail：Hust_ww＠163.com

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.020

Abastract：In the research of power system simulation，the accuracy of machine electricity transient study mainly depends on the precision of prime mover and governor system simulation，which plays important role in the power system research on transient stability and static stability when disturbance occurs.Based on the equation of motion，the torque was calculated by method of digital simulation to control the government system.The engine inertia and government system was simulated by the method of hybrid simulation.The results show that this simulation can fulfill the requirements of faster responds and higher accuracy.