民航空管臺站柴油發電機組性能仿真模型研究與建立

貢正

摘 要：文章基于民航空管臺站應急電源保障的實際情況，并針對柴油發電機組的維護培訓工作所存在的不足，旨在開發一套基于MATLAB平臺的柴油發電機組運行及性能仿真的應用軟件，利用MATLAB及SIMULINK的強大功能建立一套柴油發電機組的簡化模型，從而初步實現一套柴油發電機組仿真模擬系統，將其應用在空管動力專業的系統培訓中。

關鍵詞：柴油發電機組；性能仿真；機組模型；MATLAB；SIMULINK；

中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0077-03

1 概 述

隨著民用航空空管設備技術的迅猛發展，柴油發電機組作為民航常用動力應急設備，已成為保障民航空管設備供電穩定的重要環節，日益朝著精密化、高度自動化方向發展，柴油發電機組的工作性能不斷改善，一方面，這極大地提高了空管設備電源供電的可靠性，降低了運行成本和風險。但另一方面，一旦空管設備急需應急電源保障而柴油發電機組的某一個環節卻發生了故障，這往往會造成空管設備電源中斷，從而導致流量管制、航班大面積延誤，甚至可能危及人身安全，后果不堪設想。

目前，柴油發電機組由空管動力技術人員負責日常維護以及故障排查等工作，技術人員的業務水平參差不齊，且正處于一個新老交替的階段，因而技術保障部門對青年員工的培訓工作非常重視。對于空管系統的培訓工作而言，基于行業的特殊性，一直存在著一個問題，即無法為員工提供足夠的實踐機會，空管設備一旦投入使用，未經過批復不允許擅自啟動或停機，而柴油發電機組一直處于自動運行狀態（即當市電中斷時，機組將立即啟動，經過自動切換開關切換后，為設備輸送應急電源），學習研究機組運行性能、掌握機組結構及故障分析的機會十分有限，長此以往將造成空管動力人員技術水平青黃不接的尷尬局面。因此，急需開發一套柴油發電機組的仿真平臺以解決當前所面臨的問題。

2 MATLAB及其功能

要開發一套關于柴油發電機組的仿真平臺，可以通過MATLAB這款仿真軟件來實現。MATLAB軟件功能強大且易于上手，友好的人機界面及人性化的設置可幫助工程技術人員開發符合設計要求的系統，并實現性能仿真的圖形化顯示。

2.1 MATLAB平臺

MATLAB軟件在這個時代給予工程技術人員、科研人員一個應用的平臺。在MATLAB搭建好數值計算和圖形處理平臺之后，在各個領域中的應用也應運而生，其強大的擴展功能能夠為電力工程領域提供分析和設計的新平臺，現今MATLAB軟件已經推出了電力系統仿真工具箱、控制系統工具箱、信號處理工具箱等，在電力系統方面的應用已經非常成熟。

以前的電力系統數字仿真技術往往局限了研究人員自己進行建模和仿真，而在MATLAB涉及電力系統仿真方面以后，憑借其自身的技術以及電力領域的專家，開發了上述這些功能強大的工具箱，提供了齊全的分析手段和數據處理方式。此外，最新版本的MATLAB已經為研究人員提供了友好的界面，這使得技術人員和研究人員不僅能獲得各類工程問題的解決方案，還能更輕松簡單地使用這些技術。[1]

2.2 SIMULINK及其工具

SIMULINK是基于MATLAB的圖形化仿真設計環境。確切地說，它是MATLAB提供的對動態系統進行建模、仿真和分析的一個軟件包。它支持線性和非線性系統、連續時間系統、離散時間系統、連續和離散混合系統，而且系統可以是多進程的。它使用圖形化的系統模塊對動態系統進行描述，并在此基礎上采用MATLAB計算引擎對動態系統在時域內進行求解。

此外，SIMULINK提供了友好的圖形用戶界面（GUI），模型由模塊組成的框圖來表示，用戶通過簡單的鼠標操作就能夠完成建模。[1]

本文所設計的柴油發電機組性能仿真模型就是基于SIMULINK的工具箱。

3 柴油發電機組的建模

柴油發電機組由柴油機及其調速系統、發電機及其勵磁系統組成。柴油機為發電機提供原動力，而調速系統通過檢測實際轉速從而實現調節柴油機輸出動力的大小，構成了轉速的閉環系統，在一定負載范圍內保證發電機的轉速穩定以及電壓的頻率穩定。 發電機的勵磁系統則通過檢測發電機端電壓和負載電流調節勵磁電流大小，從而構成了電壓的閉環控制，調節其輸出無功功率，保證發電機的輸出電能的質量。

3.1 柴油機及調速系統的建模

柴油機是柴油發電機組的動力部分，它是在恒定的轉速下工作的，對于柴油機的調速器應具備良好的穩定性，且轉速具有可調性。由于柴油機帶動發電機工作時，發電機的輸出電流隨著負載的變化而變化，其功率和轉速的變化關系如式（1）所示：

T=9 550 P/n（1）

式中：T-轉矩（N）；P-功率（kW）；n-轉速（r/min）。

為了使柴油機輸出的轉速在負載變化的情況下穩定，本文調速系統采用電子調速器以保證柴油機的穩定運行。電子調速器一般由控制器、執行器驅動機構、執行器和轉速傳感器四個部分組成。調速系統的功能實現框圖，如圖2所示[2]。

通過給定轉速與負載變化下的實際轉速信號輸入給PID控制器，從而實現調節柴油機轉速，達到轉速穩定的目的。

根據達朗貝爾原理，柴油機組的運動方程式如式（2）所示：

J+Ktwg=Md-Mc（2）

式中：J—機組轉動慣量（柴油發電機組轉動慣量總和）；wg—柴油機曲軸角速度；K—阻尼系數；p—發電機磁極對數；Md—柴油機輸出轉矩；Mc—柴油機阻力矩。

柴油機輸出轉矩Md在運行中，主要是柴油機轉速n和電子調速器輸出軸位移L的函數，即Md=f（n，L），而發電機阻力矩Mc是柴油機轉速n和發電機負載功率P2的函數，即Mc=f（n，P2）。[2]柴油機的數學模型就是在上述函數的基礎上，代入發電機的功角特性方程，如式（3）所示；

式中：Pe—發電機輸出電磁功率；m—相數；E0—發電機空載相數；U1—端電壓；Xd—發電機同步電抗；θ—功率角；Xq—發電機q軸電抗。

經過代入整理，并對最終式子進行拉普拉斯變換后，可得柴油機的傳遞函數如式（4）所示：

式中：a=（Mdmax柴油機的最大扭矩值，Lmax電子調速器輸出軸的最大行程值）；Ka=（Ka為一階調節系數）；Kb=-Kn（Kb為常數調節系數，Kn為每個發電機運行狀態段的阻尼系數K的不同取值）

同理可推導出PID控制器的傳遞函數G1（s）、轉速傳感器的傳遞函數G2（s）以及執行器驅動機構傳遞函數G3（s）如式（5）、式（6）和式（7）所示[2]：

式中：kb—比例系數；Ti—積分時間常數；Td—微分時間常數；

式中：Uf—直流電壓輸出信號。

式中：L（s）—機械位移信號；K3—該環節的放大倍數；T3—該環節的時間常數。

綜上所述，可得柴油機系統仿真模型，如圖2所示。

3.2 同步發電機的建模

同步發電機是發電機組的重要元件，建立起合適的同步發電機模型可以提高仿真精度的準確性，并且能夠如實反映系統動態過程。MATLAB中已具有多種完備的同步發電機模型，在此基礎上建立一個合適準確的同步發電機模型就要取決于實際所用機組的類型以及電磁過渡及機電過渡過程的相關參數。

本文在建立同步發電機模型時，以理想狀態為模型基礎，即忽略磁滯的影響、忽略磁飽和的影響，且電磁場的分布是理想的。

在MATLAB的SimPowerSystems工具中，同步發電機的模型已考慮了發電機定子、勵磁和阻尼繞組的動態行為，因此本文所研究的同步發電機直接采用了MATLAB器件庫中的三相同步發電機pu unit模塊作為研究對象，該模型忽略了電樞反應電感、勵磁和阻尼繞組的漏感，由理想電壓源串聯RL線路構成，電阻R和電感L值等效為電機的內部阻抗，其數值可在模型內部設置。

4 柴油發電機仿真的設置與實現

根據本文第2節對柴油機與發電機模型的建立與分析，可在MATLAB中組建柴油發電機組的仿真電路圖，并根據數學模型得出的結論設置各環節的參數。[4]

以民航華東空管局虹橋機場西區綜合業務樓威爾遜P500E柴油發電機組為原型，并設置了400 kW的純電阻作為負載。將機組的額定參數輸入至仿真模型中，鏈接各系統環節可得系統仿真電路圖，如圖3所示。

在仿真電路圖的各相應元器件內將計算所得的參數輸入并保存確定后，仿真電路圖便設置完成。點擊“Play”鍵運行，并在“Scope”示波器中顯示，便可觀察到柴油發電機組仿真運行的電力參數曲線，如圖4、圖5所示。

5 結 語

通過分析柴油發電機組所仿真出的運行參數曲線，可使新員工直觀地觀察到柴油發電機組啟動的過程以及輸出電壓、電流等參數變化的結果，并且可通過系統圖形使學員學習到機組的工作過程及相關原理。

該仿真系統是個可以不斷升級優化的系統，在今后的研究中，可優化柴油機控制模塊參數，增加濾波、整流等參數控制環節，使運行輸出電源質量更高，更接近實際機組性能參數；可利用GUI功能設計開發面向空管專業的人機界面，使新員工易于操作；此外，對于控制器還可以引入模糊控制、最優控制、自適應控制等環節，進一步實現柴油發電機組的故障智能診斷功能，增強培訓內容，豐富該仿真系統。

參考文獻：

[1] 王開林，王勝開，陳國順.MATLAB/Simulink與控制系統仿真（第一版）

[M].北京：電子工業出版社，2005.

[2] 王增欣，胡明江.用MATLAB對電子調速器系統的仿真[J].中原工學院 報，2004，（12）.

[3] 袁春，張壽珍.柴油發電機組[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[4] 鄧名華，范維澄，于善穎.柴油機準維燃燒模型中經驗參數確定的研究 [J].內燃機學報，2000，（18）