船舶發(fā)電機組特殊工況運行特性仿真研究

杜承東

(滬東中華造船(集團)有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

船舶發(fā)電機組特殊工況運行特性仿真研究

杜承東

(滬東中華造船(集團)有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

首先根據(jù)船舶電站柴油發(fā)電機組的原理建立其Simulink數(shù)字仿真模型，通過調(diào)整勵磁調(diào)壓器、調(diào)速器的參數(shù)，使仿真模型突加、突卸外特性與某型機組的實測數(shù)據(jù)一致。基于仿真模型設(shè)計了兩種特殊的突加、突卸運行工況，驗證了該型機組在特殊工況下的響應(yīng)情況，結(jié)果有助于指導(dǎo)實船的運行模式設(shè)計。

船舶電站 柴油發(fā)電機組 數(shù)字仿真

1 引言

船舶電站與陸地電網(wǎng)相比具有容量小、運行工況復(fù)雜、負荷變化劇烈等特點，因此在船舶電站的設(shè)計過程中，利用數(shù)字仿真對其進行分析研究具有重要的理論價值和參考意義[1～8]。隨著數(shù)字仿真技術(shù)的不斷普及，船舶電站數(shù)字仿真技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，但傳統(tǒng)的仿真模型在建模方法、建模對象上的缺陷也越來越明顯。部分研究僅根據(jù)理論模型結(jié)合經(jīng)驗參數(shù)建立數(shù)字仿真模型，因此無法建立仿真模型與實際系統(tǒng)在暫態(tài)調(diào)壓、調(diào)速特性上的精確對應(yīng)關(guān)系，影響了仿真結(jié)果的精度。這些文獻的共同特點是均未利用機組實測數(shù)據(jù)對模型進行擬合[2～6]，因此對于實際工況的指導(dǎo)很有限。

基于船舶電站仿真模型在上述方面存在的缺點，本文深入研究船舶電站各組成設(shè)備的工作原理，試圖建立更加符合實際的柴油發(fā)電機組模型。利用經(jīng)典的Woodward調(diào)速模型及IEEE AC type1型勵磁控制器模型，采用MATLAB仿真軟件作為建模的仿真平臺，建立船舶電站的整體仿真環(huán)境。利用同型機組的實測數(shù)據(jù)對勵磁調(diào)壓器、調(diào)速器的參數(shù)進行了調(diào)整，使仿真模型的三級加載外特性與實物試驗一致以完成精確建模。

本文首先介紹了原動機及其調(diào)速器、發(fā)電機及其勵磁控制器的工作原理，并闡述了調(diào)速器工作過程中的性能指標(biāo)。基于MATLAB建模并調(diào)整仿真模型控制器參數(shù)后，對模型的仿真誤差進行了分析。基于調(diào)整后的發(fā)電機組模型，設(shè)計了兩種特殊的突加、突卸運行工況，驗證了改型機組在特殊工況下的響應(yīng)情況，有助于指導(dǎo)實船的運行模式設(shè)計。

2 柴油發(fā)電機組模型

船舶電力系統(tǒng)建模分析以實船電力系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工作原理對系統(tǒng)中各個元件建立數(shù)學(xué)模型。其中，船舶柴油發(fā)電機組是電站運行的重要組成部分[1]。柴油發(fā)電機組由柴油原動機、調(diào)速器、發(fā)電機和相復(fù)勵調(diào)壓裝置構(gòu)成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)電機組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 柴油原動機及調(diào)速控制器模型

根據(jù)柴油機的特性，柴油機模型需要考慮的核心因素是柴油機的調(diào)節(jié)遲滯效應(yīng)。柴油機調(diào)速系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)油門開度大小來增大噴油量，油料在汽缸內(nèi)膨脹燃燒做功，最終導(dǎo)致輸出的機械功率增大，整個動態(tài)過程存在一個功率輸出時滯。因此柴油機模型應(yīng)包含這一時滯環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下式所示[9]。

式中：K為放大系數(shù)；T1為柴油機缸內(nèi)工作純延遲時間；T2為柴油機組運動部件轉(zhuǎn)動慣性時間常數(shù)。

柴油機調(diào)速系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速反饋輸入、控制調(diào)節(jié)、執(zhí)行機構(gòu)輸出和外圍控制開關(guān)等環(huán)節(jié)組成。本文的柴油發(fā)電機組分析對象采用Woodward電子調(diào)速，通過采集發(fā)電機機端電壓、電流來計算輸出功率。結(jié)合機組轉(zhuǎn)速來判斷機組的當(dāng)前狀態(tài)，并在預(yù)先設(shè)定好的PID調(diào)節(jié)參數(shù)及下垂特性干預(yù)下，向執(zhí)行機構(gòu)輸出控制信號以改變柴油機的轉(zhuǎn)速和輸出功率，其原理框圖如圖2所示。

圖2 柴油機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)的特性主要取決于柴油發(fā)電機組的控制特性，將直接影響船舶電力系統(tǒng)的電能品質(zhì)及系統(tǒng)穩(wěn)定性[6]。其中調(diào)速控制器的PID參數(shù)是決定調(diào)速器調(diào)速性能的主要因素。當(dāng)柴油機處于穩(wěn)態(tài)工況時，只要選擇合適的下垂特性參數(shù)，調(diào)速器就能滿足柴油機的轉(zhuǎn)速要求并與實船數(shù)據(jù)一致。而其動態(tài)特性主要通過精細調(diào)整PID參數(shù)使實際模型的響應(yīng)與實物較為接近。

設(shè)控制器輸出為m(t)，偏差信號為e(t)，則控制器的傳遞函數(shù)為

其核心控制規(guī)律[7]為：加大微分系數(shù)可以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，并增加阻尼加以改善。當(dāng)控制作用過強造成影響時，可減小比例增益和積分系數(shù)，以減弱控制作用來進行調(diào)整。當(dāng)仿真模型的動態(tài)響應(yīng)與機組轉(zhuǎn)速實測數(shù)據(jù)一致時進行取值，以達到精確建模的目的。

在實際工程應(yīng)用中，為解決常規(guī)PID控制器積

分飽和的問題，可以采用積分分離算法，其離散后實際采用的控制規(guī)律如下式所示。

2.2 發(fā)電機及調(diào)壓控制器模型

同步發(fā)電機采用Simulink自帶的3階同步發(fā)電機模型，這里不再贅述。勵磁系統(tǒng)的模型誤差主要體現(xiàn)在交流勵磁機環(huán)節(jié)，嚴(yán)格來說勵磁機模型應(yīng)該是由同步發(fā)電機模型和不可控三相整流橋組成，但該復(fù)雜模型會嚴(yán)重影響系統(tǒng)計算速度。本文采用IEEEAC-Type1型勵磁系統(tǒng)模型中的相關(guān)部分作為本環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。

圖3 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

其中具體參數(shù)意義可參考文獻[7]。該模型忽略了暫態(tài)凸極效應(yīng)和轉(zhuǎn)速變化的影響，但考慮了勵磁機飽和、發(fā)電機勵磁電流對勵磁機的去磁作用，以及整流器的換向壓降造成的發(fā)電機勵磁電壓下降。發(fā)電機的電壓外特性參數(shù)主要受勵磁調(diào)壓控制器的PID參數(shù)影響，其控制規(guī)律與前述調(diào)速器類似。

2.3 模型誤差分析

基于前述的柴油發(fā)電機組數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合機組的型號、額定電壓、額定功率、機組轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)建立了發(fā)電機組模型。通過調(diào)壓、調(diào)速控制器的精確建模、參數(shù)調(diào)整等過程建立了發(fā)電機組精確模型，本節(jié)對仿真模型的誤差進行了分析，了解了柴油發(fā)電機組動態(tài)性能的指標(biāo)主要有負載突加突卸時的瞬態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)定時間等。數(shù)字模型仿真結(jié)果、某型機組的實測數(shù)據(jù)及誤差分析的結(jié)果匯總?cè)绫?、表2所示。

表1 調(diào)速特性誤差分析

表2 調(diào)壓系統(tǒng)誤差分析

根據(jù)文獻[13]所述的信度計算方法評估仿真準(zhǔn)確度。通過誤差分析的計算數(shù)據(jù)可知，所搭建的轉(zhuǎn)速控制器及勵磁調(diào)壓系統(tǒng)仿真模型達到了很高的精度，為后續(xù)的仿真研究建立了基礎(chǔ)。

3 仿真算例

3.1 大容量負載突加

首先考慮一個大容量負荷突加情況。造成這種工況的原因可能是誤操作，也可能是某負荷的額定容量與機組容量相近。設(shè)機組本來運行于20%額定負載且功率因數(shù)為cosφ=0.8，機組突加至100%滿載。

在該工況下的動態(tài)過程中，最低轉(zhuǎn)速達到1 440 r/min，計算可知瞬時調(diào)速率為6.3%，最低電壓為0.87倍額定電壓，計算可知瞬時調(diào)壓率為15%，均符合CCS標(biāo)準(zhǔn)(見表3)，具體仿真結(jié)果如圖4所示。

表3 CCS規(guī)定的電壓、頻率波動范圍

圖4 突加工況仿真結(jié)果(20%～100%，cosφ=0.8)

3.2 大容量負載連續(xù)投退

其次考慮一個連續(xù)突卸突加工況。設(shè)機組本來運行于80%額定負載且功率因數(shù)為cosφ=0.8的情況，機組突卸至空載后，在1 s內(nèi)再次突加該負載的情況。造成這種工況的原因可能是誤操作，也可能是系統(tǒng)發(fā)生故障后由繼電保護裝置切除故障后恢復(fù)供電，是具有脈沖性質(zhì)的大容量負載連續(xù)投退運行。

機組在5 s前平穩(wěn)運行于80% cosφ=0.8的額定負載，在5 s時突卸至空載，在6 s時又突加80% cosφ=0.8的額定負載。主要觀察該過程中的機組轉(zhuǎn)速，自5 s～6 s為突卸大容量負荷的動態(tài)過程，6 s之后為突加大容量負荷的動態(tài)過程。由于兩者間隔時間很短，因此存在突卸負荷使機組轉(zhuǎn)速升高尚未進入穩(wěn)態(tài)就再次突加的情況，突卸、突加兩者的動態(tài)過程應(yīng)一起考慮。在此過程中，最大轉(zhuǎn)速達到1 610 r/min，最低轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，計算可知瞬時調(diào)速率為10.6%，超出了CCS規(guī)定10%的限值。最大電壓達到1.15倍額定值，最低電壓為0.9倍額定值，計算可知瞬時調(diào)壓率為25%，超出了CCS規(guī)定20%的限值，具體仿真結(jié)果如圖5所示。

由該算例可知，即使機組在三級加載試驗中符合試驗大綱的要求，但在這種特殊工況下的動態(tài)行為仍然不能滿足CCS標(biāo)準(zhǔn)的要求。在機組實際運行過程中應(yīng)當(dāng)避免這種情況的發(fā)生。

圖5 突卸突加工況仿真結(jié)果(80%～0%～80%，cosφ=0.8)

4 結(jié)論

船舶柴油發(fā)電機組的建模與運行仿真研究有助于分析和解決船舶電站特殊運行工況的問題。本文結(jié)合船舶電站發(fā)電機組的基本原理，將該仿真模型的突加、突卸外特性與某型機組的實測數(shù)據(jù)進行了比對，通過調(diào)整勵磁調(diào)壓器、調(diào)速器參數(shù)，使仿真模型的外特性與實物試驗一致。基于調(diào)整后的發(fā)電機組模型，設(shè)計了兩種特殊的突加、突卸運行工況，驗證了改型機組在特殊工況下的響應(yīng)情況。仿真結(jié)果有助于指導(dǎo)實船的運行模式設(shè)計，并在后續(xù)研究特殊工況對機組軸系沖擊、壽命影響時具有一定的參考意義。

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Simulation Study on Operating Characteristic of Marine Generator in Special Working Condition

DU Cheng-dong

(Navy Military Representative Office at Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

This article builds a Simulink simulation model based on the principle of marine diesel generator, makes the model's load/unload characteristic in accordance with testing datas through adjusting the parameters of AVR and speed governor. Based on the simulation model, two special load/unload operation conditions are designed, which confirms the responding situation in special condition. The result provides a reference for operation pattern design of actual ship.

Marine power station Diesel generator Digital simulation

杜承東(1977-)，男，工程師。

U662

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