船舶發(fā)電機(jī)組的建模與仿真研究

王 征，唐文俊

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船舶發(fā)電機(jī)組的建模與仿真研究

王 征，唐文俊

(海軍駐廣州某軍代表室，廣州 510382)

根據(jù)柴油機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上建立建立柴油發(fā)電機(jī)組的模型，根據(jù)模型建立了柴油發(fā)電機(jī)組的仿真平臺(tái)，仿真驗(yàn)證了所提模型的有效性。

柴油機(jī)組 調(diào)速系統(tǒng) 勵(lì)磁系統(tǒng) 仿真

0 前言

船舶電力系統(tǒng)一般使用柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)同步發(fā)電機(jī)為全船提供電力供應(yīng)[1-3]。船舶電網(wǎng)要保證頻率和電壓的穩(wěn)定，才能使用電設(shè)備正常工作，而電網(wǎng)的頻率取決于原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電壓取決于發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)[4,5]。

本文以柴油發(fā)電機(jī)組作為研究對(duì)象，從柴油機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理出發(fā)，建立柴油發(fā)電機(jī)組的模型并進(jìn)行仿真分析。

1 柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

柴油發(fā)電機(jī)組通過(guò)調(diào)速器的調(diào)節(jié)來(lái)維持柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，從而維持機(jī)組頻率的穩(wěn)定。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如圖1所示。

下面給出了控制系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的介紹：

1）轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)

該單元主要通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器采樣轉(zhuǎn)速，并通過(guò)頻率/電壓轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換成電壓信號(hào)U，其傳遞函數(shù)為：

2）轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)是一個(gè)PID控制器，其數(shù)學(xué)模型為：

式中，U為給定轉(zhuǎn)速與采樣轉(zhuǎn)速之間的差值，為柴油機(jī)的油門(mén)位置，K、T、T分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。

3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)可以簡(jiǎn)化后的傳遞函數(shù)為:

4）柴油機(jī)環(huán)節(jié)

機(jī)組的運(yùn)動(dòng)方程為：

將柴油機(jī)模型簡(jiǎn)化后，其傳遞函數(shù)為：

2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

采用相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的船舶同步發(fā)電機(jī)其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

下面給出每個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型：

1）相復(fù)勵(lì)裝置

該裝置模型如下所示：

式中，U為裝置的輸出電壓，U、U分別為發(fā)電機(jī)d軸和q軸的電樞端電壓，為常數(shù)取，x為移向電抗。

2）電壓差模型

電壓差以及輸出信號(hào)U可以表示為：

式中，參考電壓和為勵(lì)磁電壓的初始值分別用UU表示。

3）補(bǔ)償器模型

補(bǔ)償器的模型可以表示為：

輸出電壓表示為UTT分別為超前和滯后補(bǔ)償時(shí)間常數(shù)。

4）放大器模型

放大器輸出電壓可以表示為：

K和T分別為輸出電壓和時(shí)間常數(shù)。

5）比例飽和環(huán)節(jié)

其模型如下：

(11)

(12)

式中E為勵(lì)磁調(diào)壓裝置的輸出電壓，E為輸出電壓，E為該環(huán)節(jié)的限幅值。

6）交流勵(lì)磁機(jī)模型

該環(huán)節(jié)可以用勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)Te的表達(dá)式表示為：

7）反饋穩(wěn)定環(huán)節(jié)

其模型為：

KT分別為該環(huán)節(jié)的增益和時(shí)間常數(shù)。

3 仿真驗(yàn)證

搭建仿真平臺(tái)對(duì)船舶發(fā)電機(jī)組的建模進(jìn)行仿真驗(yàn)證。發(fā)電機(jī)組的參數(shù)完全相同：容量為4000 kW，功率因數(shù)0.8，頻率50 Hz，為0.128，為0.293，為1.24，為28.2ms，為574 ms，為55 ms。

圖3給出了發(fā)電機(jī)組在空載時(shí)帶50%負(fù)荷的柴油機(jī)功率、發(fā)電機(jī)輸出電壓和轉(zhuǎn)速曲線，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，輸出電壓及頻率穩(wěn)定。圖4給出了發(fā)電機(jī)組帶50%負(fù)荷(負(fù)載為阻感性負(fù)載，有功功率與無(wú)功功率的比值為4:3時(shí)有功功率與無(wú)功功率的波形。

圖5給出了發(fā)電機(jī)組在帶40%負(fù)荷時(shí)突加負(fù)載的柴油機(jī)功率、發(fā)電機(jī)輸出電壓和轉(zhuǎn)速曲線，在5s時(shí)突加30%負(fù)載，機(jī)組功率增加，輸出電壓下降，但是很快恢復(fù)到額定值，轉(zhuǎn)速下降，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后在2.4s恢復(fù)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速最大的波動(dòng)變化率為1.6%。

圖6給出了發(fā)電機(jī)組在帶100%負(fù)荷時(shí)突卸負(fù)載的柴油機(jī)功率、發(fā)電機(jī)輸出電壓和轉(zhuǎn)速曲線，在5 s時(shí)突卸30%負(fù)載，機(jī)組功率減小，輸出電壓上升并迅速恢復(fù)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速下降，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后在2s恢復(fù)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速最大的波動(dòng)變化率為0.5%，可以看出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較好。

4 小結(jié)

本文分析了柴油機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，研究了發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上建立柴油發(fā)電機(jī)組的模型，搭建仿真平臺(tái)對(duì)所構(gòu)建的模型并進(jìn)行仿真，從仿真可分析得出，建立的摸柴油機(jī)組模型具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，能夠真實(shí)的反映柴油機(jī)組的特性。

[1] 黃曼磊，唐嘉亨，郭鎮(zhèn)明. 柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，1997,6:20-25.

[2] 莊一凡. 船舶發(fā)電柴油機(jī)電子調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真[J].西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2010,31(1):99-101.

[3] 黃曼磊,李殿璞. 船舶電站同步發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2004,25(3):305-308.

[4] 孫建忠，白鳳仙. 無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真研究[J]. 電機(jī)技術(shù), 2010,5:5-7.

[5] 李豪舉，陳紅衛(wèi).電力推進(jìn)船舶供電單元建模與仿真[J]. 船電技術(shù), 2009,29(11):18-22.

Research on Modeling and Simulation of Marine Diesel Generator Set

Wang Zheng, Tang Wenjun

(Naval Representatives Office in Guangzhou, Guangzhou 510382, China)

TM611

A

1003-4862（2017）03-0045-03

2016-09-15