船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真研究

呂文超，畢大強(qiáng)，呂飛鵬

船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真研究

呂文超1，畢大強(qiáng)2，呂飛鵬1

（1. 四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都市 610065；2.電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)電機(jī)系，北京 100084）

關(guān)注燃?xì)廨啓C(jī)電氣外特性，忽略其內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)和熱力循環(huán)，采用模塊化建模方法建立了船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)完整的數(shù)學(xué)模型，其中包括整流逆變模型、推進(jìn)電機(jī)及螺旋槳負(fù)載模型。通過Simulink仿真，重點(diǎn)研究系統(tǒng)啟動性能及動態(tài)特性；并對負(fù)載類型的影響以及三相短路故障進(jìn)行了分析。結(jié)果表明該模型能夠反映實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性，為研究船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制及多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

船舶電力系統(tǒng) 燃?xì)廨啓C(jī) 推進(jìn)電機(jī) 建模仿真

0 引言

全電力推進(jìn)已成為當(dāng)今船舶動力系統(tǒng)的發(fā)展方向[1-2]，其中原動機(jī)是電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件。現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)作為原動機(jī)，以其機(jī)動性好、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在船舶全電力推進(jìn)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[3-5]。船舶電力系統(tǒng)作為發(fā)電、輸配電、用電緊密結(jié)合的獨(dú)立電力系統(tǒng)，推進(jìn)電機(jī)容量堪比發(fā)電機(jī)容量，動態(tài)負(fù)荷比重大，容易出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，研究系統(tǒng)動態(tài)特性時(shí)必須考慮原動機(jī)的調(diào)節(jié)作用，有必要對船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真研究。

目前，國內(nèi)外對船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)建模仿真的研究很少。現(xiàn)有的船用燃?xì)廨啓C(jī)建模多基于熱動力學(xué)原理[6-7]，側(cè)重研究燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部化學(xué)過程，不適用于船舶電力系統(tǒng)的仿真研究。在微電網(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)建模仿真研究方面，文獻(xiàn)[8]把微型燃?xì)廨啓C(jī)及電氣部分當(dāng)作一個(gè)整體，建立了微型燃?xì)廨啞l(fā)電機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，研究了微型燃?xì)廨啓C(jī)和逆變器的基本控制策略，以及負(fù)荷擾動時(shí)的動態(tài)特性；文獻(xiàn)[9]考慮基本的恒壓頻比控制和PQ控制，建立了微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的整體模型，采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)逆變器，在動態(tài)負(fù)荷條件下對發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析了微型燃?xì)廨啓C(jī)與電力電子變流裝置及負(fù)荷之間的相互影響。微網(wǎng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)主要有孤島運(yùn)行和并入大電網(wǎng)兩種方式，所帶高速永磁發(fā)電機(jī)容量很小，與船舶電力系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)存在較大差異。

本文以適用于重載燃?xì)廨啓C(jī)的Rowen模型為基礎(chǔ)[10]，忽略內(nèi)部復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和熱力循環(huán)，僅關(guān)注模型所表現(xiàn)的電氣外特性，采用模塊化方法建立了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)模型及其控制策略。此外，還建立了整流逆變、推進(jìn)電機(jī)及螺旋槳模型。以上述模型為基礎(chǔ)，對船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷特性、推進(jìn)電機(jī)的各種運(yùn)行工況進(jìn)行了仿真研究。

1 船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)建模

1.1燃?xì)廨啓C(jī)控制模型

船用燃?xì)廨啓C(jī)控制模型如圖1所示，主要包含轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、加速控制等部分。三個(gè)控制環(huán)節(jié)分別產(chǎn)生三種燃料參考指令，通過低選模塊，確定輸入到燃燒室的燃料流量。

圖1 船用燃?xì)廨啓C(jī)控制模型

在船舶電力系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行中，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的最基本方法。無差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)只能用于燃?xì)廨啓C(jī)孤立發(fā)電時(shí)，當(dāng)用于并網(wǎng)發(fā)電時(shí)必須應(yīng)用有差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。通過調(diào)整轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)變化，調(diào)整轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的偏差，從而改變輸出的燃料值，最終達(dá)到調(diào)整負(fù)荷的目的。本文采用有差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)式為

燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)，需要對排氣溫度進(jìn)行控制使整個(gè)系統(tǒng)獲得最優(yōu)性能，這就需要通過調(diào)節(jié)壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉安裝角度來實(shí)現(xiàn)，IGV控制器輸出其角度信號到其執(zhí)行機(jī)構(gòu)（一個(gè)慣性環(huán)節(jié)），執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成改變IGV角度的任務(wù)。IGV調(diào)節(jié)也是一個(gè)比例積分調(diào)節(jié)器（PI），即

加速度控制系統(tǒng)的主要作用是在燃?xì)廨啓C(jī)突然甩負(fù)荷時(shí)抑制動態(tài)超速，以減少對熱部件的沖擊。轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過一個(gè)微分環(huán)節(jié)，計(jì)算實(shí)際加速度，然后將此加速度與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得出的偏差輸入到加速度控制器（也為一個(gè)比例積分調(diào)節(jié)器）其傳遞函數(shù)模型如圖2所示。

圖2 加速度控制模型

比例積分的結(jié)果產(chǎn)生加速度燃料基準(zhǔn)。當(dāng)實(shí)際加速度大于加速度給定值時(shí)，積分的結(jié)果減少燃料量，限制加速度的升高。

燃?xì)廨啓C(jī)在沒有負(fù)荷的情況下，為了維持正常的運(yùn)行需要燃料量占了額定燃料量很大的比重，本論文取23%的額定燃料量作為微型燃?xì)廨啓C(jī)的基荷。

此外，限幅環(huán)節(jié)的最大值限制作為轉(zhuǎn)速、加速度和溫度三者控制輸出的上限；而最小值限制則是為了確保有足夠的燃料流量使燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒系統(tǒng)正常工作。

圖1所示燃料控制系統(tǒng)中，門閥定位器（Loctor）與燃料制動器（Breaker）的傳遞函數(shù)為:

壓縮機(jī)—渦輪系統(tǒng)中，渦輪轉(zhuǎn)矩輸出函數(shù)f為

式中：W為燃料流量信號(標(biāo)幺值)；為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(標(biāo)幺值)。排氣溫度函數(shù)f為

1.2整流逆變模型

整流器作用就是把由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電流轉(zhuǎn)化為直流，這里采用12脈波整流器，其詳細(xì)模型在文獻(xiàn)[11]中有闡述。逆變器的作用是接受整流器輸出的直流，并將其逆變成所需頻率的交流電。船舶電力系統(tǒng)作為一個(gè)孤立的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，可以通過控制逆變器來控制負(fù)荷的電壓及頻率，而有功和無功輸出則根據(jù)負(fù)荷的需要自動的調(diào)整；當(dāng)該系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于電網(wǎng)的電壓和頻率是一定的，因此采用定功率控制可以控制其與電網(wǎng)的功率交換。本文研究燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的電力網(wǎng)絡(luò)時(shí)的情況，逆變器采用PWM調(diào)制方法，使得逆變器出口的電壓保持在660 V（電動機(jī)額定電壓）。整流逆變環(huán)節(jié)模型如圖3所示。

圖3 整流逆變環(huán)節(jié)模型

1.3船用推進(jìn)電機(jī)-螺旋槳負(fù)載模型

船舶電力系統(tǒng)區(qū)別于分布式發(fā)電系統(tǒng)的突出特點(diǎn)為螺旋槳負(fù)載特性。船舶推進(jìn)模型中的推進(jìn)電機(jī)、螺旋槳和船體三個(gè)部分共同構(gòu)成船機(jī)槳系統(tǒng)[12]。螺旋槳負(fù)載特性指它的轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線。船舶在靜水中航行（自由航行）時(shí)，僅考慮推進(jìn)裝置的回轉(zhuǎn)部分運(yùn)動和船的直線運(yùn)動兩種運(yùn)動，它們相應(yīng)的動力學(xué)方程為

系泊特性是滿載的船舶在航速等于零時(shí)，所得到螺旋槳阻力轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

建立螺旋槳負(fù)載時(shí)認(rèn)為螺旋槳轉(zhuǎn)速與推進(jìn)電機(jī)相同，若二者有變速機(jī)構(gòu)可取

K表示螺旋槳與推進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速比。

2 仿真結(jié)果分析

按照圖3所示的船用燃?xì)廨啓C(jī)電力系統(tǒng)示意圖，在Simulink平臺下搭建上述模型，對船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的啟動過程、動態(tài)特性、負(fù)荷類型的影響以及三相短路故障工況分別做了仿真研究。

圖3 船用燃?xì)廨啓C(jī)電力系統(tǒng)示意圖

2.1啟動過程

圖4 推進(jìn)電機(jī)帶螺旋槳負(fù)載啟動轉(zhuǎn)速波形

2.2動態(tài)特性

研究燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在負(fù)荷擾動時(shí)的動態(tài)特性，采用分級加載，一級卸載的方式，即初始空載狀況下分別增加40%、30%、30%負(fù)載（功率因數(shù)0.8），待穩(wěn)定后突卸100%負(fù)載，記錄仿真波形如圖7所示。

圖5 直流母線電壓

圖6 推進(jìn)電機(jī)端電壓（工頻）

圖7 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速變化

由圖7可見，空載時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速為1.0072；負(fù)載增加40%時(shí)，轉(zhuǎn)速下降至0.9955；繼續(xù)增加負(fù)荷至額定時(shí)，轉(zhuǎn)速下降至0.9777，并維持穩(wěn)定，突卸全部負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)速恢復(fù)至額定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定時(shí)間，整個(gè)過程轉(zhuǎn)速雖有波動，始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近。瞬態(tài)調(diào)速率δ，穩(wěn)態(tài)調(diào)速率δ分別計(jì)算如下：

參考GJB4000-2000中燃?xì)廨啓C(jī)性能要求，見表1。δ、δ、、均滿足要求。

2.3 負(fù)荷類型的影響

船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)多負(fù)載類型的復(fù)雜電力系統(tǒng)，等效RLC負(fù)載通常占系統(tǒng)總負(fù)荷的30%，推進(jìn)電機(jī)負(fù)載約為70%。本文研究負(fù)了荷類型對燃?xì)廨啓C(jī)啟動性能的影響，如圖8所示。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)速性能要求

圖8 不同負(fù)載燃?xì)廨啓C(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

可見，當(dāng)全部為等效RLC負(fù)載時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)啟動轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn)；當(dāng)70%為推進(jìn)電機(jī)負(fù)載時(shí)，啟動轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了瞬時(shí)超過額定轉(zhuǎn)矩1.2倍的情況，可見不同負(fù)載類型船舶電力系統(tǒng)的啟動過程影響較大。

2.4三相短路故障

三相短路是船舶電力系統(tǒng)可能發(fā)生的最嚴(yán)重的故障形式，在發(fā)電機(jī)端模擬三相短路故障：1 s時(shí)刻發(fā)生故障，1.08 s將其切除，記錄燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖9所示。

圖9 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速

可見，故障發(fā)生時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速迅速有跌落趨勢，故障瞬間被切除，轉(zhuǎn)速依然可以恢復(fù)穩(wěn)定，且整個(gè)過程轉(zhuǎn)速始終保持在額定值附近，說明所建燃?xì)廨啓C(jī)模型有較好的調(diào)速能力，且為后續(xù)研究多機(jī)并聯(lián)穩(wěn)定性問題奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

本文將燃?xì)廨啓C(jī)及其電氣部分當(dāng)作一個(gè)整體，建立了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)完整的數(shù)學(xué)模型。仿真結(jié)果表明：燃?xì)廨啓C(jī)按照給定的轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、加速度調(diào)節(jié)三種方式控制燃料流量，從而保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定值，其穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)調(diào)速率、穩(wěn)定時(shí)間和轉(zhuǎn)速波動率性能指標(biāo)均達(dá)到GJB要求。根據(jù)推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速推算出螺旋槳轉(zhuǎn)矩，可有效的模擬船舶的系泊特性，體現(xiàn)了船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷特點(diǎn)。模擬三相短路證明了調(diào)速系統(tǒng)有良好的調(diào)速能力，可有效穩(wěn)定燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速。整個(gè)建模過程為進(jìn)一步研究船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制以及并網(wǎng)研究奠定了基礎(chǔ)。

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Modeling and Simulation of Gas Turbine Generation System for Shipboard Power System

Luv Wenchao1, Bi Daqiang2, Luv Feipeng1

(1.School of Electrical Engineering & Information，Sichuan University, Chengdu 610065, China；2.State Key Lab of Power System, Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijng 100084, China）

TP391.9 U664.131

A

1003-4862（2014）08-0013-05

2013-03-11

呂文超（1986-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。