船用燃氣輪機發電系統建模與仿真研究

呂文超，畢大強，呂飛鵬

船用燃氣輪機發電系統建模與仿真研究

呂文超1，畢大強2，呂飛鵬1

（1. 四川大學 電氣信息學院，成都市 610065；2.電力系統國家重點實驗室，清華大學電機系，北京 100084）

關注燃氣輪機電氣外特性，忽略其內部化學反應和熱力循環，采用模塊化建模方法建立了船用燃氣輪機發電系統完整的數學模型，其中包括整流逆變模型、推進電機及螺旋槳負載模型。通過Simulink仿真，重點研究系統啟動性能及動態特性；并對負載類型的影響以及三相短路故障進行了分析。結果表明該模型能夠反映實際燃氣輪機發電系統的運行特性，為研究船舶燃氣輪機發電系統協調控制及多機并聯運行奠定了基礎。

船舶電力系統 燃氣輪機 推進電機 建模仿真

0 引言

全電力推進已成為當今船舶動力系統的發展方向[1-2]，其中原動機是電力推進系統的核心部件。現代燃氣輪機作為原動機，以其機動性好、重量輕等優點，在船舶全電力推進系統中得到廣泛應用[3-5]。船舶電力系統作為發電、輸配電、用電緊密結合的獨立電力系統，推進電機容量堪比發電機容量，動態負荷比重大，容易出現穩定性問題，研究系統動態特性時必須考慮原動機的調節作用，有必要對船用燃氣輪機發電系統進行建模仿真研究。

目前，國內外對船用燃氣輪機發電系統建模仿真的研究很少。現有的船用燃氣輪機建模多基于熱動力學原理[6-7]，側重研究燃氣輪機內部化學過程，不適用于船舶電力系統的仿真研究。在微電網分布式發電系統中關于燃氣輪機建模仿真研究方面，文獻[8]把微型燃氣輪機及電氣部分當作一個整體，建立了微型燃氣輪—發電機系統數學模型，研究了微型燃氣輪機和逆變器的基本控制策略，以及負荷擾動時的動態特性；文獻[9]考慮基本的恒壓頻比控制和PQ控制，建立了微型燃氣輪機發電系統的整體模型，采用正弦脈寬調制(SPWM)逆變器，在動態負荷條件下對發電系統進行仿真，分析了微型燃氣輪機與電力電子變流裝置及負荷之間的相互影響。微網燃氣輪機發電系統主要有孤島運行和并入大電網兩種方式，所帶高速永磁發電機容量很小，與船舶電力系統的燃氣輪機存在較大差異。

本文以適用于重載燃氣輪機的Rowen模型為基礎[10]，忽略內部復雜的化學反應和熱力循環，僅關注模型所表現的電氣外特性，采用模塊化方法建立了燃氣輪機發電系統模型及其控制策略。此外，還建立了整流逆變、推進電機及螺旋槳模型。以上述模型為基礎，對船舶電力系統負荷特性、推進電機的各種運行工況進行了仿真研究。

1 船用燃氣輪機發電系統建模

1.1燃氣輪機控制模型

船用燃氣輪機控制模型如圖1所示，主要包含轉速控制、溫度控制、加速控制等部分。三個控制環節分別產生三種燃料參考指令，通過低選模塊，確定輸入到燃燒室的燃料流量。

圖1 船用燃氣輪機控制模型

在船舶電力系統的并網運行中，轉速控制系統是調節燃氣輪機輸出功率的最基本方法。無差轉速控制系統只能用于燃氣輪機孤立發電時，當用于并網發電時必須應用有差轉速控制系統。通過調整轉速基準變化，調整轉速基準與實際轉速之間的偏差，從而改變輸出的燃料值，最終達到調整負荷的目的。本文采用有差轉速控制系統，其傳遞函數式為

燃氣輪機運行時，需要對排氣溫度進行控制使整個系統獲得最優性能，這就需要通過調節壓氣機進口導葉安裝角度來實現，IGV控制器輸出其角度信號到其執行機構（一個慣性環節），執行機構完成改變IGV角度的任務。IGV調節也是一個比例積分調節器（PI），即

加速度控制系統的主要作用是在燃氣輪機突然甩負荷時抑制動態超速，以減少對熱部件的沖擊。轉速信號經過一個微分環節，計算實際加速度，然后將此加速度與基準值進行比較，得出的偏差輸入到加速度控制器（也為一個比例積分調節器）其傳遞函數模型如圖2所示。

圖2 加速度控制模型

比例積分的結果產生加速度燃料基準。當實際加速度大于加速度給定值時，積分的結果減少燃料量，限制加速度的升高。

燃氣輪機在沒有負荷的情況下，為了維持正常的運行需要燃料量占了額定燃料量很大的比重，本論文取23%的額定燃料量作為微型燃氣輪機的基荷。

此外，限幅環節的最大值限制作為轉速、加速度和溫度三者控制輸出的上限；而最小值限制則是為了確保有足夠的燃料流量使燃氣輪機的燃燒系統正常工作。

圖1所示燃料控制系統中，門閥定位器（Loctor）與燃料制動器（Breaker）的傳遞函數為:

壓縮機—渦輪系統中，渦輪轉矩輸出函數f為

式中：W為燃料流量信號(標幺值)；為發電機轉速(標幺值)。排氣溫度函數f為

1.2整流逆變模型

整流器作用就是把由燃氣輪機驅動的發電機發出的交流電流轉化為直流，這里采用12脈波整流器，其詳細模型在文獻[11]中有闡述。逆變器的作用是接受整流器輸出的直流，并將其逆變成所需頻率的交流電。船舶電力系統作為一個孤立的網絡運行，可以通過控制逆變器來控制負荷的電壓及頻率，而有功和無功輸出則根據負荷的需要自動的調整；當該系統與電網并聯運行時，由于電網的電壓和頻率是一定的，因此采用定功率控制可以控制其與電網的功率交換。本文研究燃氣輪機發電系統作為一個獨立的電力網絡時的情況，逆變器采用PWM調制方法，使得逆變器出口的電壓保持在660 V（電動機額定電壓）。整流逆變環節模型如圖3所示。

圖3 整流逆變環節模型

1.3船用推進電機-螺旋槳負載模型

船舶電力系統區別于分布式發電系統的突出特點為螺旋槳負載特性。船舶推進模型中的推進電機、螺旋槳和船體三個部分共同構成船機槳系統[12]。螺旋槳負載特性指它的轉矩、功率和轉速之間的關系曲線。船舶在靜水中航行（自由航行）時，僅考慮推進裝置的回轉部分運動和船的直線運動兩種運動，它們相應的動力學方程為

系泊特性是滿載的船舶在航速等于零時，所得到螺旋槳阻力轉矩與轉速之間的關系

建立螺旋槳負載時認為螺旋槳轉速與推進電機相同，若二者有變速機構可取

K表示螺旋槳與推進電動機轉速比。

2 仿真結果分析

按照圖3所示的船用燃氣輪機電力系統示意圖，在Simulink平臺下搭建上述模型，對船舶燃氣輪機發電系統的啟動過程、動態特性、負荷類型的影響以及三相短路故障工況分別做了仿真研究。

圖3 船用燃氣輪機電力系統示意圖

2.1啟動過程

圖4 推進電機帶螺旋槳負載啟動轉速波形

2.2動態特性

研究燃氣輪機發電機系統在負荷擾動時的動態特性，采用分級加載，一級卸載的方式，即初始空載狀況下分別增加40%、30%、30%負載（功率因數0.8），待穩定后突卸100%負載，記錄仿真波形如圖7所示。

圖5 直流母線電壓

圖6 推進電機端電壓（工頻）

圖7 燃氣輪機轉速變化

由圖7可見，空載時燃氣輪機轉速為1.0072；負載增加40%時，轉速下降至0.9955；繼續增加負荷至額定時，轉速下降至0.9777，并維持穩定，突卸全部負荷時，轉速恢復至額定轉速，穩定時間，整個過程轉速雖有波動，始終保持在額定轉速附近。瞬態調速率δ，穩態調速率δ分別計算如下：

參考GJB4000-2000中燃氣輪機性能要求，見表1。δ、δ、、均滿足要求。

2.3 負荷類型的影響

船舶電力系統是一個多負載類型的復雜電力系統，等效RLC負載通常占系統總負荷的30%，推進電機負載約為70%。本文研究負了荷類型對燃氣輪機啟動性能的影響，如圖8所示。

表1 燃氣輪機調速性能要求

圖8 不同負載燃氣輪機輸出轉矩

可見，當全部為等效RLC負載時，燃氣輪機啟動轉矩較平穩；當70%為推進電機負載時，啟動轉矩出現了瞬時超過額定轉矩1.2倍的情況，可見不同負載類型船舶電力系統的啟動過程影響較大。

2.4三相短路故障

三相短路是船舶電力系統可能發生的最嚴重的故障形式，在發電機端模擬三相短路故障：1 s時刻發生故障，1.08 s將其切除，記錄燃氣輪機轉速波形如圖9所示。

圖9 燃氣輪機轉速

可見，故障發生時，燃氣輪機轉速迅速有跌落趨勢，故障瞬間被切除，轉速依然可以恢復穩定，且整個過程轉速始終保持在額定值附近，說明所建燃氣輪機模型有較好的調速能力，且為后續研究多機并聯穩定性問題奠定基礎。

3 結論

本文將燃氣輪機及其電氣部分當作一個整體，建立了燃氣輪機發電系統完整的數學模型。仿真結果表明：燃氣輪機按照給定的轉速，通過轉速調節、溫度調節、加速度調節三種方式控制燃料流量，從而保持轉速穩定在額定值，其穩態、瞬態調速率、穩定時間和轉速波動率性能指標均達到GJB要求。根據推進電機的轉速推算出螺旋槳轉矩，可有效的模擬船舶的系泊特性，體現了船舶電力系統負荷特點。模擬三相短路證明了調速系統有良好的調速能力，可有效穩定燃氣輪機轉速。整個建模過程為進一步研究船舶燃氣輪機發電系統協調控制以及并網研究奠定了基礎。

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Modeling and Simulation of Gas Turbine Generation System for Shipboard Power System

Luv Wenchao1, Bi Daqiang2, Luv Feipeng1

(1.School of Electrical Engineering & Information，Sichuan University, Chengdu 610065, China；2.State Key Lab of Power System, Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijng 100084, China）

TP391.9 U664.131

A

1003-4862（2014）08-0013-05

2013-03-11

呂文超（1986-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力系統。