船用燃氣輪機發電機組動態性能仿真

邵夢麟，梁前超，閆 東，鄔 健

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

船用燃氣輪機發電機組動態性能仿真

邵夢麟1， 2，梁前超1， 2，閆 東1， 2，鄔 健1， 2

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

基于 Matlab/Simulink 平臺，根據容積慣性法建立某三軸燃氣輪機發電機組非線性動態模型，并定制燃氣輪機轉速調節及發電機勵磁系統控制策略，對動態模型進行階躍形突增突減負荷變工況仿真研究。結果表明動態模型能夠有效地對負荷突變工況進行模擬，為船舶電網供電模塊的控制系統設計與優化提供模型基礎；在變工況過渡過程中，燃氣輪機發電機組動態響應特性滿足船舶電網供電品質要求。

燃氣輪機發電機組；動態特性；控制系統；供電品質

0 引 言

綜合電力系統（Integrated Power System，IPS）將船舶推進系統與電力系統融合為一體，以電力的形式統一調配、分配和管理全船所需能量［1］。IPS 使艦船的布置更靈活，且有效降低艦船的輻射噪音，實現節能環保，提高作戰能力［2］。燃氣輪機由于其功率大、重量輕、機動性強，成為綜合電力系統大功率原動機的理想選擇［3］。

燃氣輪機發電機機組作為綜合電力系統的電源，在電網負荷波動時，其控制系統需實時可靠地調節機組轉速和發電機端電壓，以保證電網供電品質滿足要求，且研究機組動態性能是控制系統優化設計的重要手段［4］。本文基于 Matlab/Simulink 平臺建立某三軸燃氣輪機發電機組及其控制系統的仿真模型，在電網負荷階躍形突變時，研究燃氣輪機轉速控制及發電機勵磁控制協調作用下機組的動態響應特性。

1 燃氣輪機發電機組建模

1.1 燃氣輪機模型

本文考慮燃氣輪機各流動連接段間的容積慣性，建立某三軸燃氣輪機的非線性動態模型.

根據模塊化建模思想，將三軸燃氣輪機看成由低壓壓氣機（LC）、高壓壓氣機（HC）、高壓渦輪（HT）、低壓渦輪（LT）、動力渦輪（PT）等轉動部件以及包括燃燒室（B）在內的各個流動連接段串聯而成，如圖 1 所示。模型中包括低壓轉子、高壓轉子及動力渦輪轉子，三者均為轉動慣性環節，由此建立部件間的機械聯系，且其進出口間存在壓力梯度，壓比（膨脹比）決定了其進出口流量；模型中流動連接段間的 4 個容積模塊建立各轉動部件間的氣動聯系。參考文獻［5］表明：這種包括容積慣性環節的燃氣輪機模塊化非線性模型，精度較高，且能較全面地反映系統的動態響應特性，適用于燃氣輪機負荷突增、突減等過渡工況的性能仿真。

圖 1 三軸燃氣輪機發電模塊物理模型Fig. 1 Physical model of three-shaft gas turbine power generation modules

1.2 發電機模型

本文選擇三相同步發電機作為燃氣輪機的機械軸負載。同步發電機主要包轉子和定子兩大部件，定子上嵌有電樞繞組，與三相電網相接；發電機轉子與燃氣輪機的動力渦輪同軸相連，通過它在磁場中旋轉將燃氣輪機輸出的機械功率轉換成三相交流電功率，送至船舶電網。

同步發電機轉子的機械角加速度與作用在轉軸上的不平衡轉矩存在如下關系［6］：

2 燃氣輪機發電機組控制系統

船舶燃氣輪機發電機組控制系統包括勵磁反饋控制系統和轉速反饋控制系統，其結構方框圖如圖 2 所示。轉速反饋系統檢測發電機組的轉速，直接影響船舶電網頻率穩定性和發電機的有功功率輸出；勵磁控制系統的相復勵調壓裝置同時對發電機的輸出電流和端電壓進行檢測，將直接影響船舶電網的電壓穩定性及發電機無功功率輸出。系統的主要控制對象是燃氣輪機和發電機，干擾信號為電網中的三相電力突變負荷。

圖 2 船舶燃氣輪機發電機組控制系統方框圖Fig. 2 Block diagram of marine gas turbine-generator set control system

2.1 燃氣輪機控制策略

作為船舶電網發電模塊的原動機，在電網負荷突變較大時，燃氣輪機需在不超溫、不超速的前提下，其瞬態調速率及穩定時間要滿足船舶綜合電力系統對原動機的技術要求［7］。為保證原動機達到上述條件，本文考慮在高、低壓壓氣機后設置放氣閥，用于在船舶電網負荷大幅度突降時，放出部分空氣，降低工質總焓，即為圖 1 所示的突變負荷適配裝置；對燃料系統設置調速器，用于根據機組轉速變化調節燃氣輪機供油量，使機組以恒定轉速運行，從而達到船舶電網對頻率穩定性的要求。

2.2 發電機勵磁控制系統

勵磁系統的主要作用是向同步發電機的磁場繞組供給直流勵磁電流［8］。勵磁控制系統按電流信號、電壓信號和相位信號并用的相復勵方式對同步發電機的端電壓進行調節。基于 Matlab/Simulink 軟件建立的勵磁系統模型如圖 3 所示。圖中vref輸入電壓的基準值，為勵磁電壓初始值；vd，vq分別為發電機d，q軸電壓，vstab為接地零電壓，istabc為發電機定子三相電流信號，Vf輸出勵磁電壓。電壓信號和電流信號分別經低通濾波器產生相復勵信號，合成后送至調節器回路進行閉環調節，并最終輸出到勵磁機。

3 動態仿真及結果分析

圖 3 發電機勵磁控制系統仿真模型圖Fig. 3 Simulation model of generator excitation control system

利用 Matlab/Simulink 平臺建立某三軸燃氣輪機發電機組非線性動態仿真模型，如圖 4 所示。圖 5 所示為船用發電燃氣輪機動態模型。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突增突卸等典型工況變化。根據已建立的發電機組動態模型及定制的控制策略，對船用燃氣輪機發電機組進行動態仿真研究，實驗結果中部分變量采用無量綱形式，以標么值（pu）表示，額定工況下變量值為 1。

3.1 不同工況下突降 20% 負荷

燃機輪機發電機組在第 20 s從 1.0 工況連續 4 次進行突降 20% 負荷，機組主要參數仿真結果如圖 6 ～ 圖9 所示。

從圖 6 ～ 圖 9 可知，當燃氣輪機發電機組從 1.0 工況階躍形突降負荷到 0.2 工況過程中，原動機調速裝置根據機組轉速變化調節燃油量，使燃氣輪機輸出功率降低，與電網負荷相匹配，并與高、低壓壓氣機放氣機構共同作用，使機組快速穩定到 3 000 r/min；由表 1 可知機組轉速最大瞬態調速率為 0.8%，轉速恢復到 3 000 ± 15 r/min 內的最大穩定時間為 6.43 s；船舶電網頻率最大波動值為 0.4 Hz（0.8%）；在勵磁控制系統作用下，發電機瞬態電壓恢復到電壓穩定值 3% 以內的時間約 0.5 s。

圖 4 船用燃氣輪機發電機組動態仿真模型Fig. 4 Dynamic simulation model of gas turbine -generator set for ships

圖 5 發電用燃氣輪機動態仿真模型Fig. 5 Dynamic simulation model of gas turbine for power generation

圖 6 燃氣輪機輸出功率變化曲線Fig. 6 Output power-time curve of gas turbine

圖 7 發電機組轉速變化曲線Fig. 7 Speed-time curve of generator

圖 8 船舶電網頻率變化曲線Fig. 8 Frequency-time curve of power grid

圖 9 發電機端電壓變化曲線Fig. 9 Terminal voltage-time curve of generator

3.2 不同工況下突增 20% 負荷

燃機輪機發電機組在第 30 s從 0.2 工況連續 4 次進行突增 20% 負荷，機組主要參數仿真結果如圖 10 ～ 圖 13所示。

從圖 10 ～ 圖 13 可知，當燃氣輪機發電機組從 0.2工況階躍形突降負荷到 1.0 工況過程中，原動機調速裝置根據機組轉速變化調節燃油量，使燃氣輪機輸出功率增加，與電網負荷相匹配；由表 2 可知機組轉速最大瞬態調速率為 1.07%，轉速恢復到 3 000 ± 15 r/min內的最大穩定時間為 6.02 s；船舶電網頻率最大波動值為 0.55 Hz（1.1%）；發電機端電壓在負荷突增瞬間突降，但在勵磁控制系統作用下，約 0.003 s快速恢復到穩定值。

表 1 不同工況下突降 20% 負荷主要參數變化情況Tab. 1 The change of the main parameters when the load decreases in a sudden drop by 20% in different cases

根據《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：電網負荷波動時，發電機組瞬態調速率應不超過±10%，穩定時間（即轉速恢復到 3 000 ± 15 r/min 范圍的時間）不大于 5 s；電網電壓瞬態變化在 ± 20% 內，不超過 1.5 s；電網頻率瞬態變化在 ± 10% 內，恢復時間不超過 5 s。由上述仿真結果可知：燃氣輪機發電機組在大于 0.4 工況運行時，電網負荷階躍形突變 20%，機組轉速瞬態調速率不超過 1%，且穩定時間不超過 5 s；頻率波動均未超過 ± 10%；電網電壓短時下降后穩定時間遠小于 1.5s。但當機組在 0.4 工況下進行突變 20% 負荷變化時，機組轉速穩定時間超過 5 s，因此燃氣輪機發電機組不宜在 0.4 工況下進行大幅度增減負荷。

圖 10 燃氣輪機輸出功率變化曲線Fig. 10 Output power-time curve of gas turbine

圖 11 機組轉速變化曲線Fig. 11 Speed-time curve of generator set

圖 12 船舶電網頻率變化曲線Fig. 12 Frequency-time curve of power grid

圖 13 發電機端電壓變化曲線Fig. 13 Terminal voltage-time curve of generator

表 2 不同工況下突增 20% 負荷主要參數變化情況Tab. 2 The change of the main parameters when the load increases in a sudden jump by 20% in different cases

4 結 語

本文基于 Matlab/Simulink 平臺，采用容積慣性法建立了船用某三軸燃氣輪機發電機組仿真模型，參照船舶電網指標，定制燃氣輪機轉速調節及發電機勵磁控制策略，對發電機組進行了階躍形突增突減負荷變工況仿真試驗，得到如下結論：

1）所建立的燃氣輪機發電機組非線性動態模型能夠有效地對負荷突變工況進行模擬，為船舶電網供電模塊的控制系統設計與優化提供模型基礎；

2）不同工況下，燃氣輪機發電機組運行特性不同，且其加、減載性能也有區別，在高于 0.4 工況運行時，發電機組動態穩定性較好；

3）在電網負荷突變工況過渡過程中，在燃氣輪機轉速控制及發電機勵磁控制協調作用下，發電機組動態性能滿足船舶電網供電品質要求。

［1］馬偉明. 新一代艦船動力平臺綜合電力系統［J］. 兵器知識，2011（3）: 31–33. MA Wei-ming， Integrated power system for a new generation of ship power platform［J］. Ordnance Knowledge， 2011（3）: 31–33.

［2］芮江， 由大偉. 艦船綜合電力推進技術的現狀和發展趨勢［J］.艦船科學技術， 2010， 32（4）: 3–6. RUI Jiang， YOU Da-wei. Survey and preview on warship integrated electric propulsion［J］. Ship Science and Technology， 2010，32（4）: 3–6.

［3］STEFANO MASSUCCO S， Andrea PITTO A， Federico SILVESTRO F. A gas turbine model for studies on distributed generation penetration into distribution networks［J］. IEEE TRansactions on Power System（S0885–8950）， 2011， 26（3）: 992–999.

［4］嚴志遠， 向文國， 張士杰， 等. 基于Matlab/Simulink的微型燃氣輪機動態仿真研究［J］. 燃氣輪機技術， 2014， 27（1）: 32–37. YAN Zhi-yuan， XIANG Wen-guo， ZHANG Shi-jie， et al. Dynamic simulation study based on micro-turbine using Matlab/Simulink［J］. Gas Turbine Technology， 2014， 27（1）: 32–37.

［5］欒永軍， 孫鵬， 李東明， 等. 發電用燃氣輪機動態性能仿真［J］.艦船科學技術，. 2012， 34（4）: 51–56. LUAN Yong-jun， SUN Peng， LI Dong-ming， et al. Research on transient simulation of gas turbine generator set［J］. Ship Science and Technology， 2012， 34（4）: 51–56.

［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: 28–29. SHI Wei-feng， XU Xiao-yan. Modeling and control of ship power system［M］. Beijing: Publishing House of Electronics Industry， 2012: 28–19.

［7］KANG D W， HYUCK J J， TONG S K . Using compressor discharge air bypass to enhance power generation of a steam-injected gas turbine for combined heat and power［J］. Energy（S0360–5442）， 2014， 76: 390–399.

［8］SCHAEFER R C， KIM K. Excitation control of the synchronous generator［J］. IEEE Industry Applications Magazine， 2001，7（2）: 37–43.

Simulation on dynamic performance of gas turbine-generator set for ships

SHAO Meng-lin1， 2， LIANG Qian-chao1， 2， YAN Dong1， 2， WU Jian1， 2
（1. Military Key Laboratory for Naval Ship Power Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China；2. College of Power Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China）

According to the volume inertia， the nonlinear dynamic model for one type of three-spool gas turbine -generator set was established based on the Matlab/Simulink platform. The control strategy for speed regulation and excitation system was customized.And then the dynamic performance to the stepwise load were studied.The response curves show that the dynamic model accords well to the sudden load change process，and can be used as basal model for the power module control system design and optimization. The dynamic responses of gas turbine generator set meets the requirement of power supply quality for ship grid during the transient process of variable working condition.

gas turbine-generator set；dynamic performance；control system；quality of power supply

U664.13

A

1672 – 7619（2016）04 – 0071 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.015

2015 – 08 – 12；

2015 – 09 – 06

國家部委基金資助項目（4010303010403）

邵夢麟（1991 – ），女，碩士研究生，研究方向為船綜合電力系統建模與控制。