基于MATLAB的柴油發電機組起動過程仿真分析

張東福 崔建華

【摘要】建立了柴油機發電機組起動全過程的數學模型，并分別求解出柴油發電機組起動特性和柴油機及調速系統數學模型。詳細論述了運用Matlab/Simulink建立400V柴油發電機組起動全過程的仿真模型。仿真結果分析表明：所建立的模型具有較高的準確可靠性，能夠真實反映發電機實際起動過程特性，可以作為柴油機結構設計和方案優化的計算機模擬仿真分析工具，為柴油發電機組性能分析和綜合評估提供了一種新的研究方法。

【關鍵詞】柴油發電機組；起動過程；Matlab/Simulink；仿真

引言

柴油機起動過程的綜合性能是評價柴油發電機組質量水平的重要技術指標，通過準確可靠的仿真模擬，獲得準確詳細的工況性能曲線和數據，對于指導發電機組進行優化設計，減少試驗內容及工作量，降低研究開發成本，縮短研發時間周期，提高研發工作效率，確保柴油發電機組的類型、結構參數和性能參數均達到良好匹配特性[1]。采用計算機對柴油發電機組的起動過程進行全面建模與仿真，是目前研究柴油發電機起動調控性能，并對研發方案、方法思路和技術性能進行綜合評價和優化改進的重要手段。結合現代控制理論建立與柴油發電機組起動過程實際運行工況相匹配的數學模型，并采用Matlab軟件中的Simulink仿真工具箱，構造仿真模型對其起動全過程進行仿真，獲得起動全過程的轉速、轉矩等仿真特性曲線和數據，并以此指導柴油發電機組進行優化改進設計，確保其具有良好的起動動態和穩定性能，且滿足技術、經濟和環境等多方面評價指標，推動柴油發電機研發優質、節能、經濟的進行，課題具有非常重要的理論分析和工程實踐意義。

1.柴油發電機起動性能的數學模型分析

1.1 柴油發電機起動過程特性分析

柴油發電機主要起動過程為：首先起動裝置開始工作，然后由起動裝置拖拽靜止的柴油機開始轉動，待柴油機依靠壓縮缸內氣體燃燒過程中產生的熱量能夠自行進行加速并達到發電機組最低穩定空轉轉速的全過程[2]。柴油發電機是整個柴油發電系統的心臟，通過柴油機和同步發電機進行同軸聯合，實現機電調節的耦合匹配。歸納總結柴油發電機組整個起動過程，主要包括兩個重要階段，即：第一階段：將空氣壓縮系統產生的2.5-3.0Mpa壓縮空氣，按照柴油機的發火順序在膨脹工作沖程工況下引入到各汽缸，推動活塞機構起動柴油機到起動轉速；第二階段：在起動裝置引導下柴油機達到起動轉速后，噴入柴油燃料自行發火，通過燃燒能量積累轉速不斷上升直到達到同步發電機最低穩定同步轉速。同時，柴油發電機在整個起動過程中，通過勵磁系統的開閉環調節不斷建立起穩定的機端電壓，完成柴油發電機組的起動發電。

1.2 柴油發電機組起動特性數學函數

1.2.1 柴油機及調速系統的數學模型

在柴油發電機系統中，柴油機及調速器是整個發電系統的心臟，其通過燃燒燃油為發電機供給原動力，然后根據負荷波動轉換的轉速偏差信號調節噴油量輸出不同轉矩，確保整個燃油燃燒及發電系統處于不斷調節平衡的恒速運行工況[3]。由此可知，柴油機及調速系統的仿真數學模型的輸入為噴油量，輸1.2.2 同步發電機的數學模型

在柴油發電機的數學模型建立過程中，由于發電機定子通常處于不對稱運行工況，加上凸極同步發電機其轉子自身結構就存在不對稱問題。因此，采用常規的abc坐標系很難準確反映發電機的運行工況狀態。為了精確模擬仿真柴油發電機組起動全過程特性，此處采用dq0坐標系統進行分析，即采用派克變換將a、b、c相坐標的發電機三相電磁特征量（電流、電壓和磁通鏈）轉換為與轉子同步旋轉的直軸d、交軸q和零軸0分量。帕克轉換及逆變換的公式及步驟詳見文獻[3]2.2節。本文直接選擇Matlab/Simulink/SimPowerSystem/Machines器件庫中，基于dq0坐標系的發電機仿真模型來建立完整的仿真系統。

1.2.3 柴油機組起動系統模型

參考轉速是調速器參數設置過程中預先設定的目標轉速的標幺值；實際轉速是由柴油機調速系統中的測速環節采集獲得實時轉速的標幺值。通過參考轉速和實際轉速間的偏差信號計算，經主控制器、放大單元（比例微分加柴油機和油門系統組成的二階慣性環節）、執行器，控制柴油機噴油量的多少，并經積分單元和機組延遲特性的約束計算后，形成柴油機的最終機械功率信號[5]。發電機在機械功率的驅動作用下帶動發電機轉子，利用“電磁感應”輸出電動勢。按照圖2所示的調節結構，以發電機轉速作為被控對象來完成轉速→噴油量→轉速的閉環負反饋，實現PID的動態調節。

2.柴油發電機組起動過程Matlab仿真分析

結合圖1和圖2及前面分析，可以將柴油發電機起動發電過程看成是一個正向驅動和反向負反饋的閉環動態平衡調節過程。

2.1 柴油發電機起動發電Simulink仿真模塊圖

Matlab軟件是美國Math Works公司出品的商業科學計算軟件，其強大非線性數據逼近功能，可以為算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算等高級計算仿真提供計算語言及交互式環境，是功能相當強大的科學仿真和計算分析軟件，主要包括Matlab計算軟件和Simulink動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境兩大部分。Matlab軟件在計算分析時，提供了許多數據物理模型矩陣處理手段。Simulink為學術研究領域與工業實踐應用領域提供了重要的結構模型和仿真運行技術支撐平臺，通過模型構建、運行工況模擬仿真、動態分析等可視化圖形界面操作，用戶無需編寫詳細的程序代碼，通過圖形集成模塊的相互搭建，即可建立非線性、連續時間、離散時間以及多者相結合的混合模擬仿真模型，能讓用戶以最小的時間代價完成對預設系統性能的在線動態模擬仿真。Simulink實例仿真模塊，便于對柴油發電機組起動全過程功能特性的準確仿真模擬。此處將選用Simulink提供的集成模塊構造仿真模型，按照通過參考轉速和實際轉速計算轉速偏差信號，經內部功能單元轉換分析形成轉速輸出信號作用在噴油調節器中，完成壓縮空氣、柴油機、發電機、勵磁系統等控制單元的聯合調節，確保真實反映柴油發電機的起動過程及性能。

2.2 仿真結果分析

轉速（標幺值）的時值特性曲線可知，Simulink能夠準確反映柴油發電機起動的兩個明顯階段，即：在起動的第一階段（0-0.8s），壓縮空氣系統產生的2.5-3.0Mpa壓縮空氣形成的轉矩驅動柴油機起動，此時轉速上升速率較慢，呈直線上升。當柴油機的轉速不斷升高達到最低起動轉速時，柴油發電機中的氣缸內壓力和溫度達到柴油的燃燒點，則起動進入第二階段（0.8s-2.9s），柴油機按照發火順序自動發火燃燒，轉速上升率增加，呈拋物線上升，輸出轉矩也越來越大。在調速器的作用下，輸出機械功率不斷加大，轉速不斷增加，并在2.9s后，達到同步發電機最低穩定同步轉速，穩定發電。從圖4的機械功率（標幺值）的時值特性曲線可知，在柴油發電機組起動的兩個階段中，第一個階段（0-0.8s）產生的轉矩較小，機械功率也較小；進入到起動第二階段后，柴油發電機在調速器的PID調控作用下，根據預定轉速和實際轉速的偏差信號，不斷調節噴油量。在0.8s-2.4s機械功率不斷上升，轉矩不斷增大，相應轉速不斷上升；在2.4s2.9s機械功率不斷下降，轉矩不斷降低，相應轉速上升率不斷降低，直到穩定在發電機的同步轉速達到平衡。

起動全程機端電壓勵磁升壓的時值特性，可以清楚看出柴油發電機組機端在整個發電過程中電壓建立到從小到大的過程。其中，第一階段，電壓幅值較小，主要實現機端電壓的建立；在第二階段，隨著電動機轉速的不斷升高，機端電壓和頻率也從小到大不斷上升，最后穩定在50Hz，此時發電機的端部電壓穩定在400V，與400V柴油發電機組的額定運行電壓相匹配。

3.結束語

本文對柴油發電機組起動全過程的起動及工況特性進行了研究，并提出了基于兩個階段的二階慣性環節模型，并通過Matlab/Simulink對400V柴油發電機組起動全過程的轉速、機械功率和機端電壓進行了建模仿真分析，得到以下幾方面結論：

（1）在0-0.8s起動第一階段，轉速呈直線上升，轉速上升較慢；在0.8-2.9s第二階段，轉速呈拋物線上升，轉速上升較快；

（2）在0-0.8s起動第一階段，柴油發電機的機械功率上升較慢；在0.8s-2.4s機械功率不斷上升，轉矩不斷增大，相應轉速不斷上升；在2.4s2.9s機械功率不斷下降，轉矩不斷降低，相應轉速上升率不斷降低，直到穩定在發電機的同步轉速達到平衡；

（3）機端電壓及頻率不斷上升，最終穩定在50Hz和400V。

基于Matlab/Simulink的400V柴油發電機組起動仿真模型，能夠真實反映柴油發電機組起動全過程的工況特性，為柴油發電機組整體方案研發、優化改進和綜合評估，提高了高效可靠的分析技術手段。

參考文獻

[1]楊建新，王月明，薛小軍.基于 SIMULINK 的機車柴油機組啟動過程仿真研究[J].內燃機，2005（6）：33-35.

[2]王哲，葉曉倩，鄧俊.基于Matlab/Simulink的直線發動機性能仿真研究[J].內燃機工程，2009，30（01）：69.

[3]江國和，劉西全，楊松林，等.船舶柴油機智能轉速控制系統仿真研究[J].柴油機，2006，27（4）：9-11.

[4]房俊全，朱從喬.柴油機調速系統的模糊自適應PID控制[J].微計算機信息，2005（15）：54-56.

[5]龔金科，劉孟祥，劉湘玲，等.用Simulink實現柴油機的建模與仿真，2002，29（04）：38-41.