船用燃氣輪機發(fā)電機組控制策略仿真研究

邵夢麟，梁前超，鄔 健

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

0 引言

艦船綜合電力推進系統(tǒng)由于具有很高的經(jīng)濟性、機動性及可靠性等優(yōu)勢，已成為未來艦船動力的主要發(fā)展方向[1]。燃氣輪機由于其功率大、重量輕、振動小，成為綜合電力系統(tǒng)原動機的理想選擇。而船舶電網(wǎng)作為一個獨立運行的孤立電網(wǎng)，電站容量小，對電力負荷大范圍變化比較敏感[2,3]。當(dāng)電網(wǎng)負荷發(fā)生波動時，燃氣輪機發(fā)電機組作為綜合電力系統(tǒng)的電源，其控制系統(tǒng)需實時可靠地調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速和發(fā)電機端電壓，以保證電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定性。

船用燃氣輪機發(fā)電機組控制包括燃氣輪機轉(zhuǎn)速控制和同步發(fā)電機勵磁控制兩個方面，轉(zhuǎn)速控制使機組以恒定轉(zhuǎn)速運行，對船舶電網(wǎng)頻率及發(fā)電機有用功率輸出有直接影響；勵磁控制直接影響發(fā)電機端電壓穩(wěn)定和發(fā)電機的無功功率輸出。文獻[4,5]基于機理建模分析方法建立了燃氣輪發(fā)電機組的動力學(xué)仿真模型，進一步對燃氣輪機的控制策略進行分析研究，但未從保證電網(wǎng)電能品質(zhì)出發(fā)，結(jié)合發(fā)電機端電壓控制進行綜合研究。本文圍繞燃氣輪機發(fā)電機組轉(zhuǎn)速及發(fā)電機端電壓的控制策略展開研究，采用Matlab/Simulink軟件建立某單軸燃氣輪機發(fā)電機組控制系統(tǒng)仿真模型，結(jié)合船舶電網(wǎng)供電指標(biāo)，研究所建立控制系統(tǒng)模型的動態(tài)響應(yīng)特性。

1 燃氣輪機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)模型

將同步發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)作為一個電磁相互作用的整體單元，船舶燃氣輪機發(fā)電機組是以燃氣輪機為原動機，通過機械軸帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將機械能轉(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。同步發(fā)電機為燃氣輪機的機械軸負荷；電網(wǎng)的電力負荷作用到同步發(fā)電機上，發(fā)電機通過機械轉(zhuǎn)矩作用于燃氣輪機。

如圖1所示，燃氣輪機控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、加速度控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)組成。三個控制系統(tǒng)輸出的燃料值參考指令經(jīng)過最小值選擇器，將最小的燃料基準(zhǔn)值送到燃料控制系統(tǒng)，對燃氣輪機的供油量進行控制。

1）轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

圖1 船舶燃氣輪機發(fā)電機組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

機組的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)的頻率兩者之間總存在一定的偏差，轉(zhuǎn)速控制的目的就是跟蹤電網(wǎng)負荷的變化，調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速，使偏差控制在允許的范圍內(nèi)，從而保證機組發(fā)出電能的頻率品質(zhì)，轉(zhuǎn)速控制通常采用帶慣性的比例算法，輸入為給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差。

2）加速度控制系統(tǒng)

加速度控制系統(tǒng)在正常情況下不起作用，是一種限制性控制，只在燃氣輪機啟動過程中限制機組的啟動加速率或在機組突然甩負荷時抑制動態(tài)超速，以防止轉(zhuǎn)子加速度過高威脅機組的安全。

3)溫度控制系統(tǒng)

燃氣輪機渦輪的進口燃氣溫度很高，為了避免高溫燃氣對渦輪葉片產(chǎn)生損害，在運行中必須使渦輪進氣溫度控制在一定范圍內(nèi)，保證燃氣不超溫。采用熱電偶對燃氣輪機排氣溫度進行測量，根據(jù)測量原理，溫度測量模型由測溫元件和溫度場兩部分的動力學(xué)模型構(gòu)成，其模型分別為：1/(1+2.5s)和 0.8+0.2/(1+15s)。

綜上，建立某型單軸燃氣輪機和控制系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

2 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)

勵磁系統(tǒng)的基本功能為能供給和自動調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的磁場電流，使得發(fā)電機的電力輸出在連續(xù)容量之內(nèi)變化時能維持端電壓不變[6]。船舶大功率同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真實驗

發(fā)電機端電壓和機組轉(zhuǎn)速是一對相互耦合的變量，其中一個變量發(fā)生變化會引起另一個變量變化。轉(zhuǎn)速控制和勵磁控制作為這兩個變量的控制系統(tǒng)，需相互協(xié)調(diào)，達到同時控制燃氣輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)速及電壓穩(wěn)定的目的，以滿足船舶電網(wǎng)對供電質(zhì)量的要求。

如圖4所示，分別建立燃氣輪機及其控制系統(tǒng)仿真模型和同步發(fā)電機及其勵磁控制系統(tǒng)仿真模型，并根據(jù)模型接口之間的關(guān)系進行連接并調(diào)試，搭建船舶燃氣輪機發(fā)電機組控制系統(tǒng)仿真模型。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(guān)的通斷模擬實船負載變化進行仿真，研究所建立的燃氣輪機發(fā)電機組控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。模型中所用變量均采用無量綱形式，以標(biāo)么值（pu）表示，額定工況下變量值為1。

圖2 某型單軸燃氣輪機和控制系統(tǒng)仿真模型

圖3 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 燃氣輪機發(fā)電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真模型

3.1 突增負荷仿真實驗

當(dāng)發(fā)電機組空載運行達到額定轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定運行后，在15s時，突增50%電力負荷；30s時突增另外50%負荷。突增負荷過程中發(fā)電機組各參數(shù)變化情況如圖5-圖9所示。

從圖5-圖8可知，當(dāng)機組空載穩(wěn)定運行后，在15s突增50%負載，原動機功率明顯增大，并經(jīng)機組調(diào)速系統(tǒng)控制，約1.5s穩(wěn)定下來；發(fā)電機端電壓受到?jīng)_擊后，在勵磁控制系統(tǒng)作用下，不到1s迅速穩(wěn)定到額定值3%以內(nèi)；機組轉(zhuǎn)速降低約2%，經(jīng)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，約2.5s穩(wěn)定到基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。在30s機組突增50%負載后，各參數(shù)變化曲線與上述分析基本相似。

圖5 原動機輸出功率變化曲線圖

由圖9可知，機組空載運行時，定子電流為零；在15s和30s時，由于負載增加，電流均相應(yīng)增大，隨后保持在穩(wěn)定值。

圖6 燃氣輪機燃油信號變化曲線圖

圖7 燃氣輪機發(fā)電機組轉(zhuǎn)速變化曲線圖

3.2 突卸負荷仿真實驗

當(dāng)燃氣輪機發(fā)電機帶負荷穩(wěn)定運行后，在15 s時，突卸50%電力負荷；30s時突卸另外50%負荷。機組一系列參數(shù)變化情況如圖10-圖14所示。

圖8 發(fā)電機端電壓變化曲線圖

圖9 發(fā)電機定子電流變化圖

圖10 原動機輸出功率變化曲線圖

從圖10-圖14可知，當(dāng)機組帶負載穩(wěn)定運行后，在15s突減50%負載，原動機功率快速下降，存在小范圍波動，經(jīng)機組調(diào)速系統(tǒng)控制，約1s后穩(wěn)定下來；燃氣輪燃油量降低；在勵磁控制系統(tǒng)作用下，發(fā)電機動態(tài)電壓恢復(fù)到穩(wěn)定值3%以內(nèi)的時間明顯小于1.5s；機組轉(zhuǎn)速升高約1%，經(jīng)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，約2s穩(wěn)定到基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。在30s機組突減50%負載后，各參數(shù)變化曲線與上述分析基本相似。

由圖14可知，在15s和30s時，由于負載減少，電流均相應(yīng)降低，隨后保持在穩(wěn)定值，30s之后，機組空載運行，發(fā)電機定子電流為零。

圖11 燃氣輪機燃油信號變化曲線圖

圖12 燃氣輪機發(fā)電機組轉(zhuǎn)速變化曲線圖

圖13 發(fā)電機端電壓變化曲線圖

結(jié)果表明：在變工況過程中，發(fā)電機組動態(tài)響應(yīng)特性滿足《GBT-13030-2009船舶電力推進系統(tǒng)技術(shù)條件》對船舶電網(wǎng)供電系統(tǒng)要求：原動機在突卸50%和空載下突加50%額定負載，其瞬態(tài)調(diào)速率應(yīng)不超過±10%，穩(wěn)定時間不大于5s；電網(wǎng)電壓和頻率的瞬態(tài)變化應(yīng)在±10%內(nèi)，持續(xù)時間不超過5s。

圖14 發(fā)電機定子電流變化圖

4 結(jié)語

本文主要圍繞燃氣輪機發(fā)電機組轉(zhuǎn)速及發(fā)電機端電壓的控制策略展開研究，采用Matlab/Simulink軟件建立某單軸燃氣輪機發(fā)電機組控制系統(tǒng)仿真模型，對其進行突增及突卸負荷仿真研究，結(jié)合船舶電網(wǎng)供電要求指標(biāo)，分析發(fā)電機組一系列參數(shù)的不同響應(yīng)過程。

研究結(jié)果表明：當(dāng)電網(wǎng)負荷大范圍變化時，在燃氣輪機發(fā)電機組調(diào)速控制系統(tǒng)與勵磁控制系統(tǒng)共同作用下，發(fā)電機組具有良好的調(diào)速及調(diào)壓性能，滿足船舶電網(wǎng)對供電品質(zhì)的要求。

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