船用燃氣輪機發電機組控制策略仿真研究

邵夢麟，梁前超，鄔 健

（1．海軍工程大學艦船動力工程軍隊重點實驗室，武漢 430033；2．海軍工程大學動力工程學院，武漢 430033）

0 引言

艦船綜合電力推進系統由于具有很高的經濟性、機動性及可靠性等優勢，已成為未來艦船動力的主要發展方向[1]。燃氣輪機由于其功率大、重量輕、振動小，成為綜合電力系統原動機的理想選擇。而船舶電網作為一個獨立運行的孤立電網，電站容量小，對電力負荷大范圍變化比較敏感[2,3]。當電網負荷發生波動時，燃氣輪機發電機組作為綜合電力系統的電源，其控制系統需實時可靠地調節機組轉速和發電機端電壓，以保證電網頻率和電壓的穩定性。

船用燃氣輪機發電機組控制包括燃氣輪機轉速控制和同步發電機勵磁控制兩個方面，轉速控制使機組以恒定轉速運行，對船舶電網頻率及發電機有用功率輸出有直接影響；勵磁控制直接影響發電機端電壓穩定和發電機的無功功率輸出。文獻[4,5]基于機理建模分析方法建立了燃氣輪發電機組的動力學仿真模型，進一步對燃氣輪機的控制策略進行分析研究，但未從保證電網電能品質出發，結合發電機端電壓控制進行綜合研究。本文圍繞燃氣輪機發電機組轉速及發電機端電壓的控制策略展開研究，采用Matlab/Simulink軟件建立某單軸燃氣輪機發電機組控制系統仿真模型，結合船舶電網供電指標，研究所建立控制系統模型的動態響應特性。

1 燃氣輪機轉速控制系統模型

將同步發電機及其勵磁系統作為一個電磁相互作用的整體單元，船舶燃氣輪機發電機組是以燃氣輪機為原動機，通過機械軸帶動發電機的轉子旋轉，將機械能轉化為電能的系統，其控制結構如圖1所示。同步發電機為燃氣輪機的機械軸負荷；電網的電力負荷作用到同步發電機上，發電機通過機械轉矩作用于燃氣輪機。

如圖1所示，燃氣輪機控制系統由轉速控制系統、加速度控制系統和溫度控制系統組成。三個控制系統輸出的燃料值參考指令經過最小值選擇器，將最小的燃料基準值送到燃料控制系統，對燃氣輪機的供油量進行控制。

1）轉速控制系統

圖1 船舶燃氣輪機發電機組控制系統結構圖

機組的轉速與電網的頻率兩者之間總存在一定的偏差，轉速控制的目的就是跟蹤電網負荷的變化，調節機組轉速，使偏差控制在允許的范圍內，從而保證機組發出電能的頻率品質，轉速控制通常采用帶慣性的比例算法，輸入為給定轉速與實際轉速的偏差。

2）加速度控制系統

加速度控制系統在正常情況下不起作用，是一種限制性控制，只在燃氣輪機啟動過程中限制機組的啟動加速率或在機組突然甩負荷時抑制動態超速，以防止轉子加速度過高威脅機組的安全。

3)溫度控制系統

燃氣輪機渦輪的進口燃氣溫度很高，為了避免高溫燃氣對渦輪葉片產生損害，在運行中必須使渦輪進氣溫度控制在一定范圍內，保證燃氣不超溫。采用熱電偶對燃氣輪機排氣溫度進行測量，根據測量原理，溫度測量模型由測溫元件和溫度場兩部分的動力學模型構成，其模型分別為：1/(1+2.5s)和 0.8+0.2/(1+15s)。

綜上，建立某型單軸燃氣輪機和控制系統仿真模型如圖2所示。

2 同步發電機勵磁控制系統

勵磁系統的基本功能為能供給和自動調節同步發電機的磁場電流，使得發電機的電力輸出在連續容量之內變化時能維持端電壓不變[6]。船舶大功率同步發電機勵磁控制系統結構如圖3所示。

3 協調控制系統仿真實驗

發電機端電壓和機組轉速是一對相互耦合的變量，其中一個變量發生變化會引起另一個變量變化。轉速控制和勵磁控制作為這兩個變量的控制系統，需相互協調，達到同時控制燃氣輪發電機組轉速及電壓穩定的目的，以滿足船舶電網對供電質量的要求。

如圖4所示，分別建立燃氣輪機及其控制系統仿真模型和同步發電機及其勵磁控制系統仿真模型，并根據模型接口之間的關系進行連接并調試，搭建船舶燃氣輪機發電機組控制系統仿真模型。由于船舶負載中，多是感性負載，故采用三相RL負載通過控制主開關的通斷模擬實船負載變化進行仿真，研究所建立的燃氣輪機發電機組控制系統的動態特性。模型中所用變量均采用無量綱形式，以標么值（pu）表示，額定工況下變量值為1。

圖2 某型單軸燃氣輪機和控制系統仿真模型

圖3 同步發電機勵磁控制系統結構框圖

圖4 燃氣輪機發電機組協調控制系統仿真模型

3.1 突增負荷仿真實驗

當發電機組空載運行達到額定轉速并穩定運行后，在15s時，突增50%電力負荷；30s時突增另外50%負荷。突增負荷過程中發電機組各參數變化情況如圖5-圖9所示。

從圖5-圖8可知，當機組空載穩定運行后，在15s突增50%負載，原動機功率明顯增大，并經機組調速系統控制，約1.5s穩定下來；發電機端電壓受到沖擊后，在勵磁控制系統作用下，不到1s迅速穩定到額定值3%以內；機組轉速降低約2%，經轉速控制系統調節，約2.5s穩定到基準轉速。在30s機組突增50%負載后，各參數變化曲線與上述分析基本相似。

圖5 原動機輸出功率變化曲線圖

由圖9可知，機組空載運行時，定子電流為零；在15s和30s時，由于負載增加，電流均相應增大，隨后保持在穩定值。

圖6 燃氣輪機燃油信號變化曲線圖

圖7 燃氣輪機發電機組轉速變化曲線圖

3.2 突卸負荷仿真實驗

當燃氣輪機發電機帶負荷穩定運行后，在15 s時，突卸50%電力負荷；30s時突卸另外50%負荷。機組一系列參數變化情況如圖10-圖14所示。

圖8 發電機端電壓變化曲線圖

圖9 發電機定子電流變化圖

圖10 原動機輸出功率變化曲線圖

從圖10-圖14可知，當機組帶負載穩定運行后，在15s突減50%負載，原動機功率快速下降，存在小范圍波動，經機組調速系統控制，約1s后穩定下來；燃氣輪燃油量降低；在勵磁控制系統作用下，發電機動態電壓恢復到穩定值3%以內的時間明顯小于1.5s；機組轉速升高約1%，經轉速控制系統調節，約2s穩定到基準轉速。在30s機組突減50%負載后，各參數變化曲線與上述分析基本相似。

由圖14可知，在15s和30s時，由于負載減少，電流均相應降低，隨后保持在穩定值，30s之后，機組空載運行，發電機定子電流為零。

圖11 燃氣輪機燃油信號變化曲線圖

圖12 燃氣輪機發電機組轉速變化曲線圖

圖13 發電機端電壓變化曲線圖

結果表明：在變工況過程中，發電機組動態響應特性滿足《GBT-13030-2009船舶電力推進系統技術條件》對船舶電網供電系統要求：原動機在突卸50%和空載下突加50%額定負載，其瞬態調速率應不超過±10%，穩定時間不大于5s；電網電壓和頻率的瞬態變化應在±10%內，持續時間不超過5s。

圖14 發電機定子電流變化圖

4 結語

本文主要圍繞燃氣輪機發電機組轉速及發電機端電壓的控制策略展開研究，采用Matlab/Simulink軟件建立某單軸燃氣輪機發電機組控制系統仿真模型，對其進行突增及突卸負荷仿真研究，結合船舶電網供電要求指標，分析發電機組一系列參數的不同響應過程。

研究結果表明：當電網負荷大范圍變化時，在燃氣輪機發電機組調速控制系統與勵磁控制系統共同作用下，發電機組具有良好的調速及調壓性能，滿足船舶電網對供電品質的要求。

[1]周瑞,柳波,周安宇.用于艦船綜合電力推進的燃氣輪機關鍵技術[J].航空發機,2013,39(4):89-94.

[2]孔慶毅,李淑英,王志濤.飛輪電池對船舶燃機發電模塊的動態平穩特性研究[J].燃氣輪機技術,2011,24(3):37-39.

[3]M.L.Shao,Q.C.Liang,D,Yan,H.Qin,J.Xiang.Application of fuzzy comprehensive evaluation on COGAG power plant of performance[J].Journal of power and energy engineering,2014,2(9): 29-34.

[4]L.M.Hajagos, G.R.Bérubé.Utility experience with gas turbine testing and modeling ［C］.IEEE Power Engineering Society Winter Meeting,Columbus,OH,USA,2001,1.

[5]趙景峰,葉春,秦春申.燃氣輪機及其控制系統的綜合建模研究[J].華東電力,2005,33(4):13-16.

[6]施偉鋒,許曉彥.船舶電力系統建模與控制[M].北京:電子工業出版社,2012:117-118.