柴油發(fā)電機組-脈沖負載系統(tǒng)運行行為仿真

胡亞超，徐 曄，李建科，孫 勇，王春明

(1.解放軍理工大學國防工程學院， 南京210007;2.解放軍91362部隊， 浙江舟山316200)

(3.南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

柴油發(fā)電機組由柴油機和同步發(fā)電機組成，其中柴油機作為原動機，通過轉軸驅動同步發(fā)電機的轉子以相同步速旋轉，從而使固定在轉子上的磁極旋轉產生與轉子相同轉速的磁場，同步發(fā)電機的定子線圈切割旋轉的磁力線，產生旋轉電場，對外輸出頻率和幅值穩(wěn)定的三相交流電，具有體積小，啟動迅速，供電可靠，維護方便的特點，應用領域廣泛［1］。

在對柴油發(fā)電機組供電系統(tǒng)仿真模型的研究中，文獻［2］針對船舶電力系統(tǒng)，考慮到同步發(fā)電機的暫態(tài)過程，對船舶柴油發(fā)電機組的啟動、停車和負載突變進行了仿真研究;文獻［3］根據(jù)船舶電力推進系統(tǒng)中單臺發(fā)電機容量小于單臺電動機負載的背景，通過建立仿真模型對系統(tǒng)運行時的電壓、電流特征進行分析;文獻［4］針對負載發(fā)生大信號變化的情況，考慮了機組可承受的負載范圍。在這些系統(tǒng)中負載的功率穩(wěn)定，當負載功率反復突變時，應用上述模型仿真誤差較大，因此，并不適合用來分析含脈沖負載的柴油發(fā)電機組-整流器供電系統(tǒng)。

本文以單臺柴油發(fā)電機組-可控整流器-脈沖負載系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)系統(tǒng)運行特點建立了引入負載功率調節(jié)的柴油發(fā)電機組模型，著重針對脈沖負載處于不同工作模式時柴油發(fā)電機組輸出電壓與頻率的暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)指標進行分析。

1 柴油發(fā)電機組結構

柴油發(fā)電機組按功能可分為柴油機與調速環(huán)節(jié)、勵磁調壓環(huán)節(jié)以及同步發(fā)電機三部分，系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)電機組系統(tǒng)組成框圖

在圖1中，柴油機作為原動機，通過柴油的燃燒做功過程將化學能轉化為驅動同步發(fā)電機轉子旋轉的機械動能，同步發(fā)電機根據(jù)電磁感應原理將機械能轉換為電能，向負載供電。其中，調速環(huán)節(jié)采集柴油機轉速和柴油發(fā)電機組輸出功率偏差向柴油機輸出油門指令，控制系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性;勵磁調壓環(huán)節(jié)引入同步發(fā)電機的定子電壓和電流的實時相量值，為同步發(fā)電機提供輸出勵磁電壓，控制系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

1.1 柴油機與調速器

對于數(shù)字式雷達等脈沖負載，由于裝備內含有大量電力電子開關器件，當這類負載運行時，即呈現(xiàn)開關切換狀的脈沖功率特性，系統(tǒng)中電源處于反復的加載和拋載切換狀態(tài)，而這種交替出現(xiàn)的過載和空載對柴油發(fā)電機組的頻率穩(wěn)定性帶來很大的干擾，影響其正常工作［5］。

針對脈沖負載這一特有的功率性質，柴油機與調速環(huán)節(jié)采用帶有功率平抑功能的雙輸入轉速調節(jié)，由轉速控制器、功率控制器、油位控制器、油門執(zhí)行器和柴油機等部分組成。在調速環(huán)節(jié)中，由轉速傳感器和功率測量環(huán)節(jié)分別采集柴油機的實際轉速輸出和功率變化量，反饋到轉速控制器和功率控制器，控制器將轉速偏差Δω和功率變化Δp經(jīng)PID控制生成控制量u1和u2輸入油位控制器，油門執(zhí)行器根據(jù)油位控制器輸出的Δu產生可在一定范圍內可調的油門值，柴油機根據(jù)油門指令提供相應的機械功率pm。該方法既可以維持柴油發(fā)電機組轉速，又能夠根據(jù)脈沖負載的功率變化做出快速響應，減小了柴油發(fā)電機組的時間常數(shù)，調速器結構如圖2所示。

圖2 柴油發(fā)電機組調速系統(tǒng)原理圖

1.2 勵磁調壓裝置

勵磁調壓環(huán)節(jié)的功能是為同步發(fā)電機提供穩(wěn)定的勵磁電流，即使輸出電壓有效值穩(wěn)定，其結構原理框圖如圖3所示。

圖3 同步發(fā)電機勵磁調壓裝置的原理圖

在圖3中，定子電壓Vt和電流It經(jīng)電壓補償與濾波環(huán)節(jié)后生成信號Vm，功率變化量Δp經(jīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器生成信號Vs，勵磁電壓經(jīng)反饋校正生成信號VF，Vref為參考電壓信號，經(jīng)放大后的勵磁調節(jié)器的輸出信號VA與相復勵裝置的輸出信號Vc疊加，生成勵磁信號VR，直流勵磁機在VR與飽和控制信號VE的共同作用下輸出勵磁電壓Vf。

2 系統(tǒng)仿真分析

針對雷達等脈沖負載的功率特性，以直流開關控制電阻的周期性投切來模擬數(shù)字式雷達等脈沖負載的功率特性［6-7］，建立如圖4所示的柴油發(fā)電機組-整流器-脈沖負載系統(tǒng)的等效電路模型。圖4中的電子調速器根據(jù)系統(tǒng)情況實時調節(jié)柴油機功率，維持機組輸出頻率穩(wěn)定，自動電壓調節(jié)器(AVR)控制柴油發(fā)電機組的輸出電壓穩(wěn)定，可控整流器調節(jié)系統(tǒng)直流側輸出電壓維持在設定值500 V，系統(tǒng)采用LC無源濾波，直流開關的通斷由外置觸發(fā)信號控制，可通過設置脈沖信號來調節(jié)脈沖負載的工作模式。

圖4 柴油發(fā)電機組-整流器-脈沖負載等效電路圖

在該供電系統(tǒng)中，柴油發(fā)電機組-整流器系統(tǒng)作為等效直流電源，經(jīng)電抗L和電容C濾波后向脈沖負載Rs供電。可通過設置直流開關S的觸發(fā)脈沖信號控制脈沖負載的不同工作模式，令開關周期Ts表示模擬負載Rs周期性的通斷時間，導通占空比D為開關閉合時間占整個開關周期的比率。柴油發(fā)電機組中的柴油機功率設定為36 kW，同步發(fā)電機的額定功率為30 kW，功率因數(shù)0.8，機組的輸出頻率f為50 Hz，線電壓Vt為400 V，可控整流器的輸出電壓設為500 V。同時，設定脈沖負載的峰值功率PL為20 kW，即Rs為12.5 Ω，開關周期 Ts為 56 ms。

根據(jù)系統(tǒng)電路模型和系統(tǒng)的實際參數(shù)，搭建基于Matlab/Simulink仿真平臺的系統(tǒng)模型，在仿真中通過調節(jié)脈沖負載的占空比實現(xiàn)不同的工作模式，并根據(jù)仿真結果分析脈沖負載工作模式的變化對柴油發(fā)電機組輸出電壓與頻率的影響。仿真采用ode23tb算法，時間為6 s，仿真結果如圖5所示。

圖5 脈沖負載工作在特定模式時的各電氣量波形

在圖5a)中可以看出:隨著脈沖負載電流周期性的突變，整流器的輸出電壓也隨之變化，當開關S閉合時，脈沖負載消耗功率，此時直流電壓迅速下降;當脈沖負載無電流時，在調壓器作用下，直流電壓可立刻恢復至設定值500 V。

圖5b)反映了整個仿真過程中柴油發(fā)電機組輸出頻率的變化趨勢:在1 s時刻開關S在觸發(fā)脈沖作用下控制電阻周期性的投切，此時由于負載迅速增大，柴油機的機械功率小于負載的電磁功率，而油門調節(jié)器尚未動作，因此，轉速下降以維持機械轉矩不變;隨后汽缸進油量增加，柴油機輸出功率逐漸提高，機械轉矩增大從而轉速逐漸恢復至額定值。但由于脈沖負載周期性的功率波動，因此，柴油發(fā)電機組的輸出頻率會以Ts為振蕩周期在某一固定值附近小幅波動。

圖5c)為柴油發(fā)電機組輸出電流隨脈沖負載功率波動的變化曲線。當柴油發(fā)電機組-整流器供電系統(tǒng)無功率輸出時，電樞電流極小，且為標準正弦波;當脈沖負載消耗功率時，定子電流迅速增大，且畸變嚴重;當脈沖負載不吸收功率時，定子電流同時減小，定子三相電流的變化周期也是Ts。

圖5d)～圖5f)為柴油發(fā)電機組輸出電壓在脈沖負載運行的變化曲線，其中:圖5d)反映了單相電壓實時波形，通過對比橫坐標時間可以看出，當定子電流很大時電壓波形同樣產生一定程度的畸變;當柴油發(fā)電機組-整流器系統(tǒng)空載時，定子電壓波形光滑。圖5e)為各時刻柴油發(fā)電機組輸出電壓的有效值隨脈沖負載的變化。圖5f)為單個開關周期內電壓值波動的局部放大圖，通過對比時間軸可以看出，當開關S閉合，即脈沖負載有功率輸出時，發(fā)電機組輸出電壓下降;當開關S斷開，負載無電流時，發(fā)電機的輸出電壓在調壓裝置調節(jié)下振蕩上升，后維持在400 V附近小幅波動。

為進一步分析機組在不同脈沖負載工作模式時柴油發(fā)電機組輸出電壓與頻率的穩(wěn)態(tài)情況，對仿真模型中脈沖負載的輸出占空比進行調整，并計算柴油發(fā)電機組的輸出頻率f，頻率波動Δf，電壓有效值Vt，電壓總諧波畸變率THDv和負載實際功率pe，各穩(wěn)態(tài)值具體見表1。

表1 脈沖負載工作時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(負載模式:PL=20 kW，Ts=56 ms，C=4 mF，L=0.125 mH)

通過表1可以看出，隨著占空比的增加，負載的實際功率pe也逐漸變大，當占空比較小時，由整流器等線路損耗造成的功率損失較大，表現(xiàn)在實際功率小于理論平均功率Pav(即DPL);從表1還可以看出柴油發(fā)電機組的輸出頻率幾乎無變化，而頻率波動隨占空比的增大略有增大，說明所采用的調速器性能良好;柴油發(fā)電機組的輸出電壓有效值Vt并沒有發(fā)生顯著變化，事實上，當脈沖負載的占空比達到0.7時，柴油發(fā)電機組的輸出電壓畸變非常嚴重，同時電壓有效值波動超過150 V，系統(tǒng)中電能質量顯著降低，已不屬于系統(tǒng)正常工作范疇，故不再增大占空比。

3 結束語

本文針對柴油發(fā)電機組-整流器-脈沖負載系統(tǒng)的特點，基于Matlab/Simulink軟件建立了能適應脈沖負載功率特性的系統(tǒng)仿真模型，分析了脈沖負載作用下柴油發(fā)電機組的輸出電壓與頻率特性，并通過改變負載工作模式對比研究了脈沖負載對柴油發(fā)電機組-整流器供電系統(tǒng)的影響，證明了脈沖平均對柴油發(fā)電機組的影響不僅與負載平均功率有關，而且同脈沖負載有效功率的輸出占空比有很大關系。

［1］ 中國電器工業(yè)協(xié)會內燃發(fā)電設備分會.中國柴油發(fā)電機組行業(yè)發(fā)展狀況及未來趨勢［J］.電器工業(yè)，2011(6):30-34.ICGE branch of CEEIA.Development status and future trend of the industry of diesel generating sets in china［J］.China Electrical Equipment Industry，2011(6):30-34.

［2］ 李東輝，張均東，何治斌.教學實習船電力系統(tǒng)建模與仿真［J］.上海交通大學學報，2008，42(2):190-193.Li Donghui，Zhang Jundong，He Zhibin.Modeling and simulation of the power system on practice teaching ship［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2008，42(2):190-193.

［3］ 包 艷，施偉鋒.船舶電力推進系統(tǒng)運行的仿真［J］.中國航海，2011，34(4):34-38.Bao Yan，Shi Weifeng.Research on operation simulation of ship electric propulsion system［J］.Navigation China，2011，34(4):34-38.

［4］ Cooper A R，Morrow D J，Chambers K D R.Development of a diesel generating set model for large voltage and frequency transients［C］//IEEE Power and Energy Society General Meeting.［S.l.］:IEEE Press，2010:1-7.

［5］ Alessandro L，Luca S，F(xiàn)abio C.Adaptive direct-tuning control for variable-speed diesel electric generating units［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59(5):2126-2134.

［6］ 劉 超，楊 明，戴廣明，等.新一代高壓大功率緊湊型發(fā)射機設計［J］.現(xiàn)代雷達，2014，36(7):65-67，72.Liu Chao，Yang Ming，Dai Guangming，et al.Integrative design of a novel compact high power klystron transmitter［J］.Modern Radar，2014，36(7):65-67，72.

［7］ 鞠文耀，封心歌，陳善華.用于雷達接收機的開關電源的低紋波設計［J］.現(xiàn)代雷達，2005，27(10):81-82.Ju Wenyao，F(xiàn)eng Xinge，Chen Shanhua.Low ripple design of the switching power supply used in radar receiver［J］.Modern Radar，2005，27(10):81-82.