船舶燃氣輪機發電機組實時仿真新方案

李淑英，李鐵磊，王志濤

(哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

燃氣輪機發電機組是船舶綜合電力系統的核心裝置，掌握機組的動態特性，研制性能可靠的控制器是保證機組穩定運行的基礎。目前，在燃氣輪機裝置控制器的研制過程中，普遍要經過全數字仿真實驗、半物理仿真實驗和全物理實驗等3個驗證過程。將燃氣輪機裝置控制器的物理實體接入到仿真回路中進行半物理仿真實驗［1］，一方面可以驗證控制器的可靠性，增強全物理實驗過程中的安全性;另一方面可以大量減少全物理實驗量，節約研制成本。針對燃氣輪機裝置開展高精度的實時仿真是進行控制器半物理仿真實驗的關鍵，劉立華等［2-7］分別以船舶燃氣輪機和航空發動機為研究對象，探討了燃氣輪機仿真模型的實時求解策略，搭建了控制器半物理仿真平臺，并進行了多種工況下的半物理仿真實驗。

如果采用傳統方案開展船舶燃氣輪機發電機組的實時仿真，燃氣輪機本體、發電機和用電負載均為實時仿真機上的數字化模型，通過定步長求解器對模型的計算來預測機組的運行特性。由于燃氣輪機本體的慣性環節主要體現為機械特性，而發電機和用電負載的慣性環節主要體現為電磁特性，兩者差別很大。如果針對燃機本體的慣性環節設置求解器的積分步長，通常可以滿足實時仿真的時間要求，但發電機和用電負載的仿真精度難以保證;如果針對發電機和用電負載的慣性環節設置求解器的積分步長，在不提升仿真機性能的前提下，仿真用時難以滿足實時性。

1 新方案的提出

針對上述問題，本文提出一種新的實時仿真方案。如圖1所示，燃氣輪機仍然為實時仿真機上的數字化模型，而發電機和用電負載采用物理實體，兩者之間通過帶驅動控制器的無刷直流電機(brushless DC motor，BLDCM)連接。新方案只需針對燃機本體的慣性環節設置求解器的積分步長，在保證仿真精度的前提下，可以很好地滿足仿真實時性。在實時仿真運行的某一積分步長內，燃機控制器根據速度環偏差量Δn來控制燃燒室噴油量Gf，從而使動力渦輪輸出扭矩M發生變化，該扭矩值按比例縮小α倍后，可以形成BLDCM恒扭矩控制的電流設定值Is，BLDCM“代理”燃機本體向發電機輸出功率，轉速扭矩儀上的轉速n上傳給數字化模型，用于動力渦輪特性計算和轉速控制環的速度反饋。

圖1 船舶燃氣輪機發電機組實時仿真新方案Fig.1 The new type of real-time simulation scheme for marine gas turbine generator set

新方案的理論依據如下:根據達朗貝爾-拉格朗日運動學原理［8］，新方案中數字化模型部分的動力渦輪和物理實體部分的電機滿足如下的轉子運行學方程

式中:J1為考慮發電機及附屬裝置在內的燃機動力渦輪轉子折合轉動慣量;J2為考慮發電機及附屬裝置在內的電機轉子折合轉動慣量;ω為轉子角速度;ΔM為轉子動力矩與阻力矩的差值。如果在方程(1)、(2)之間建立如方程(3)所示的關系，則如方程(4)所示，新方案中數字化模型部分的動力渦輪轉子與物理實體部分的電機轉子具有相同的動態響應特性。

2 新方案的實現

2.1 燃氣輪機實時仿真模型

以某型三軸燃氣輪機為物理模型(如圖2所示)，根據容積慣性法對其建立的數學模型主要由方程(5)～(12)組成。在Matlab/Simulink環境下，根據三軸燃機數學模型開發的變比熱仿真模型如圖3所示，模型由定步長求解器計算，利用Matlab/Real-Time Workshop工具箱將其轉化為C代碼，下載到配置有Matlab/Xpc Target系統的仿真機中實現實時仿真。

圖2 某型三軸燃氣輪機物理模型Fig.2 The physical model of triaxial gas turbine

式中:n為轉速，t為時間，G為工質流量，J為轉子轉動慣量，β為壓比，η為效率，Cp為工質比熱，e為膨脹比，T*為某截面工質溫度，k為工質絕熱系數;N為輸出功率，p*為某截面工質壓力，R為氣體常數，VLC～HC表示低壓壓氣機與高壓壓氣機兩部件間的容積，h為某截面工質焓值，H為燃料低熱值;下標f為燃料，a為空氣，g為燃氣，其余下標含義參照圖2。

圖3 某型三軸燃氣輪機變比熱仿真模型Fig.3 Variable specific heat simulation model of certain type of three-shaft gas turbine

2.2 驅動控制器

BLDCM具有高功率密度、高扭矩/電流比、寬調速范圍的特點，特別適合應用在需要恒扭矩或恒轉速控制的伺服領域。本文采用兩相導通、三相六狀態、星型連接的 BLDCM，額定功率300 W，額定轉速3 000 r/m。BLDCM驅動控制器采用DSP(TMS320F2812)作為主控制器;電機的轉子位置、轉速、母線電流等信息分別通過CAP、QEP和A/D等端口反饋到DSP，其中轉子位置信息由電機內置霍爾傳感器產生，轉速信息由光電編碼器輸出，母線電流信息由采樣電阻獲得;DSP控制程序根據電機反饋的信息輸出6路PWM信號，并經IPM驅動橋上的6個IGBT管放大后用于驅動電機運行。

BLDCM雙閉環控制算法如圖4所示，外環為速度環，內環為電流環。在實時仿真開始前，要將電機轉速調整到額定值(對應燃機模型的初始狀態);在實時仿真結束后，要將電機轉速調整為零，并安全停機，以上2個階段速度環與電流環均起作用。在實時仿真階段，速度環失效，電流環的電流設定值Is由實時仿真機提供，實現BLDCM恒扭矩控制。為保證實時仿真新方案能夠穩定、可靠地運行，一定要使電機恒扭矩控制的響應時間小于模型的積分步長，因此電流環選擇PI控制算法。由新方案的理論依據可知，BLDCM在“代理”燃氣輪機的過程中形成一種縮放的關系，這意味著其運行過程中一個微小的扭矩波動反饋到燃機仿真模型中都會對仿真精度帶來很大的影響，因此應該在保證仿真實時性的前提下，盡量減小BLDCM在運行過程中的扭矩波動，尤其是換相期間的扭矩波動。文獻［9-10］推導了不同PWM調制模式對BLDCM換相扭矩波動的影響，根據其研究成果，本文選擇PWM-on型調制模式。

圖4 BLDCM雙閉環控制算法Fig.4 Double-loop control algorithm on BLDCM

2.3 新方案的組成框架

新方案的組成框架如圖5所示。上位機通過TCP/IP數據總線將仿真模型和實驗參數下載到實時仿真機和BLDCM驅動控制器中，并利用數據總線采集仿真過程中的相關數據，以便于仿真過程監控和仿真結果顯示。實時仿真機與物理實體之間通過數據輸出板卡和數據采集卡進行數據交互。基于新方案的組成框架開發的船舶燃氣輪機發電機組實時仿真平臺如圖6、7所示。其中圖6所示的物理實驗臺包括BLDCM及驅動控制器、發電機、轉速扭矩儀等關鍵部件。

圖5 新方案的組成框架Fig.5 The framework of the new scheme

圖6 物理實驗臺Fig.6 Physical test-bed

圖7 可調用電負載Fig.7 Adjustable load

3 基于新方案的實時仿真實驗

基于新方案進行了船舶燃氣輪機發電機組突增、突減負載的實時仿真實驗，過程如下:

1)開始時機組在空載的情況下穩定運行，16 s時突增1/3的額定負載;

2)機組帶1/3的額定負載穩定運行后，34.5 s時突增1/3的額定負載;

3)機組帶2/3的額定負載穩定運行后，52.3 s時突增1/3的額定負載;

4)機組帶額定負載穩定運行后，74.6 s時突減1/3的額定負載;

5)機組帶2/3的額定負載穩定運行后，99 s時突增1/3的額定負載;

6)機組帶額定負載穩定運行后，121.5 s時突減全部的額定負載。

從仿真實驗結果(圖8～10所示)來看，各參數的動態特性符合機組的實際變化規律，能較好地預測機組在突增和突減負載時的動態響應特性。從圖9可以看出，機組在高工況的加載性要好于低工況;在負載變化量相同的情況下，突減負載時動力渦輪的轉速波動要小于突增負載時的轉速波動。

圖8 高壓渦輪轉速變化曲線Fig.8 The speed curve of high pressure turbine

圖9 動力渦輪轉速變化曲線Fig.9 The speed curve of power turbine

圖10 高壓渦輪進口溫度變化曲線Fig.10 The inlet temperature curve of high pressure turbine

圖11 動力渦輪輸出功率變化曲線Fig.11 The output power curve of power turbine

4 結束語

基于BLDCM恒扭矩控制系統，提出并實現了一種船舶燃氣輪機發電機組實時仿真新方案，為掌握機組在真實電力負載下的動態特性、研制性能可靠的控制器提供了一個新的思路。針對機組進行的突增、突減負載實時仿真實驗表明，新方案在保證仿真精度的前提下，可以很好地滿足仿真實時性。從仿真結果來看，機組在高工況的加載性要好于低工況，前者的動力渦輪轉速超調量約為后者的63%;在負載變化量相同的情況下，突減負載時動力渦輪的轉速波動要比突增負載時的轉速波動小10%左右;在突增、突減負載的過程中，動力渦輪轉速存在10%～16%的波動，這可以通過下一步研究先進的機組控制算法來解決。

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