基于DEH技術(shù)的艦船汽發(fā)機(jī)組控制系統(tǒng)改裝設(shè)計(jì)

龔喜文，　朱　晶

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

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基于DEH技術(shù)的艦船汽發(fā)機(jī)組控制系統(tǒng)改裝設(shè)計(jì)

龔喜文，朱晶

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

摘要:對大型船舶，尤其是大型水面艦艇而言，汽輪發(fā)電機(jī)組是其電網(wǎng)中不可或缺的組成部分，而我國20世紀(jì)引進(jìn)的以汽輪發(fā)電機(jī)組供電的大型船舶中，許多汽輪發(fā)電機(jī)組的電氣部分已嚴(yán)重老化，導(dǎo)致故障頻發(fā)。同時(shí)，原有監(jiān)控裝置采用的是由分立元件組成的模擬式電氣液壓控制器，可靠性和可維修性差。針對上述問題，依托某型船汽輪發(fā)電機(jī)組改換裝項(xiàng)目，對汽輪發(fā)電機(jī)組控制設(shè)備的改裝進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)新型數(shù)字式電氣液壓控制器，實(shí)現(xiàn)對原有控制器的整體替換。為驗(yàn)證新研控制器的性能和可靠性，研究改裝汽輪發(fā)電機(jī)組的模型，建立硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，新研控制器可很好地實(shí)現(xiàn)對汽輪發(fā)電機(jī)組的控制功能。

關(guān)鍵詞:船舶汽輪發(fā)電機(jī)；數(shù)字式電氣液壓控制；硬件在環(huán)

0引言

蒸汽輪機(jī)具有單機(jī)功率大、壽命長、可靠性高、重量輕、尺寸小、經(jīng)濟(jì)性較好、可用廉價(jià)燃料及維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此在大型船舶(尤其是大型水面艦艇)電力系統(tǒng)領(lǐng)域，汽輪發(fā)電機(jī)組得到了十分廣泛的應(yīng)用。我國在20世紀(jì)引進(jìn)了較多大型船舶，其中有相當(dāng)一部分的船舶電力系統(tǒng)均采用汽輪發(fā)電機(jī)組。由于使用時(shí)間較長，機(jī)電設(shè)備老化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障頻發(fā)，大大降低了船舶的可靠性和航行安全性，也影響了船員的生活和工作狀態(tài)。由于所引進(jìn)船舶的設(shè)備備品及備件的供應(yīng)無法得到保障，也無法獲得國外技術(shù)人員的技術(shù)支持，這就對汽輪發(fā)電機(jī)組的改裝技術(shù)提出了更高的要求。

自1883年瑞典創(chuàng)造出世界上第一臺沖動(dòng)式汽輪機(jī)以來，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)隨著汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)(Mechanical Hydraulic Control System，MHC)、電氣液壓式控制系統(tǒng)(Electric Hydraulic Control System，EHC)、模擬式電氣液壓控制系統(tǒng)(Analog Electric Hydraulic Control System，AEH)和數(shù)字式電氣液壓控制系統(tǒng)(Digital Electro-Hydraulic Control System，DEH)等4個(gè)發(fā)展過程[1-2]。相對于前3代控制系統(tǒng)，DEH系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更完善的控制功能，組態(tài)靈活，擴(kuò)展方便，控制效果更為準(zhǔn)確，有著不可比擬的優(yōu)越性。

在陸地電網(wǎng)中，20世紀(jì)90年代以后投產(chǎn)的大型發(fā)電機(jī)組大多采用DEH控制系統(tǒng)，這些機(jī)組自動(dòng)化程度高、功能強(qiáng)大、操作性能優(yōu)異，得到了用戶的普遍好評[3]。目前有很多老舊機(jī)組正在進(jìn)行升級改造，用DEH系統(tǒng)替代原來的舊式調(diào)節(jié)系統(tǒng)。目前國內(nèi)外常用的汽輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)DEH改裝方案[4]主要有以下幾種。

1) 同步器控制改裝方案。該方案只改裝同步器和啟動(dòng)閥，不改變原液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)與保護(hù)系統(tǒng);其優(yōu)點(diǎn)主要是改裝工作量小、費(fèi)用低，適用于原液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能狀態(tài)良好的中小機(jī)組。該方案目前已成功應(yīng)用于阜新發(fā)電廠和清河發(fā)電廠的7臺100 MW機(jī)組[5]和國產(chǎn)200 MW汽輪發(fā)電機(jī)組[6]中。

2) 電液并存控制改裝方案。該方案保留原液壓系統(tǒng)的全部部件，額外增加一套電調(diào)系統(tǒng)與原系統(tǒng)并存，切換運(yùn)行。

3) 純電調(diào)控制改裝方案。該方案除閥門以外，調(diào)節(jié)系統(tǒng)基本上全部進(jìn)行改裝，改動(dòng)量較大；舍棄了原液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的所有調(diào)節(jié)部件，在外部另設(shè)一套高壓抗燃油的獨(dú)立油源，更換調(diào)節(jié)閥操縱座，在調(diào)節(jié)閥操縱座上放置抗燃油油動(dòng)機(jī)，直接拖動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥桿。

目前對汽輪發(fā)電機(jī)組改裝的研究主要集中在陸基發(fā)電領(lǐng)域和工業(yè)汽輪機(jī)領(lǐng)域，對船舶小型汽輪發(fā)電機(jī)組改裝的研究較少。與陸基大型汽輪發(fā)電機(jī)組相比，船用汽輪發(fā)電機(jī)組雖然功率較小，但其電網(wǎng)容量一般與船舶電網(wǎng)處于同一電網(wǎng)數(shù)量級，不能像陸地電網(wǎng)一樣將電網(wǎng)容量等效成無窮大；而與工業(yè)汽輪機(jī)相比，船用汽輪發(fā)電機(jī)組需并網(wǎng)工作，必須考慮負(fù)載分配問題。以上對船舶汽輪發(fā)電機(jī)組的控制提出了更高的要求。

1原船汽輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)狀態(tài)

依托某型船舶電站改換裝項(xiàng)目進(jìn)行研究。原船電站為“汽-柴混合型”網(wǎng)絡(luò)，設(shè)有前、后2個(gè)電站，各配備1套汽輪發(fā)電機(jī)組和1套柴油發(fā)電機(jī)組；兩電站間通過雙跨接線連接。原船電站主接線圖見圖1。

主要任務(wù)是對原有汽輪發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)進(jìn)行改裝，以滿足汽輪發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。原汽輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)采用的是AEH控制系統(tǒng)與液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成串級控制的方案，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖1　原船電站主接線圖

圖2　原汽輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)示意圖

1) 液壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)是完成汽輪發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　汽輪發(fā)電機(jī)組液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2) 同步器和功率校正器是汽輪發(fā)電機(jī)組二次調(diào)頻的給定裝置，二者均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3) AEH控制器通過調(diào)節(jié)同步器驅(qū)動(dòng)電機(jī)和功率校正器驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對汽輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)。同步器和功率校正器控制接口如下。

(1) 同步器驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制接口。同步器驅(qū)動(dòng)電機(jī)為三相交流電機(jī)，由舊式繼電器控制，有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)2種狀態(tài)，轉(zhuǎn)速恒定。

(2) 功率校正器驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制接口。功率校正器驅(qū)動(dòng)電機(jī)為兩相交流伺服電機(jī)。兩相交流伺服電機(jī)由勵(lì)磁信號和控制信號控制，其中：勵(lì)磁信號為127 V，50 Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，由AB相線電壓經(jīng)變壓器變壓后得到；控制信號為12 V，50 Hz的正弦波經(jīng)交流調(diào)壓后的電壓信號，交流調(diào)壓前的正弦控制信號由BC相線電壓經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換后得到。勵(lì)磁電壓信號和控制電壓信號的相位相差120°。

2汽輪發(fā)電機(jī)組改裝方案

改裝船舶電站汽輪發(fā)電機(jī)組容量較小，液壓系統(tǒng)集成度較高，油液管路及控制閥件集成在一個(gè)整體的鑄件中；同時(shí)，受船艙空間限制，額外布置供油系統(tǒng)難度較大。而原汽輪發(fā)電機(jī)組液壓控制系統(tǒng)保養(yǎng)的較好，控制性能仍可滿足汽輪發(fā)電機(jī)組的控制要求。結(jié)合該汽輪發(fā)電機(jī)組的上述特點(diǎn)，采用如下改裝方案。

保留液壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的所有部件，僅對液壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)做適應(yīng)性修復(fù)，且不改變其原有結(jié)構(gòu)；同時(shí)保留同步器驅(qū)動(dòng)電機(jī)和功率校正器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。研制新型的DEH控制器，對原AEH控制器進(jìn)行整體換裝。

DEH控制器以微型CPU為控制核心，采用性能更優(yōu)的數(shù)字控制算法，以達(dá)到更好的控制性能；同時(shí)，可與船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的其他設(shè)備數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)全船電力系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。此外，為與原船液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)接口匹配，設(shè)計(jì)的DEH控制器控制信號接口與原AEH控制器控制信號接口保持一致。改裝后的汽輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖4。

圖4　汽輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3汽輪發(fā)電機(jī)組DEH控制器設(shè)計(jì)

3.1硬件設(shè)計(jì)

DEH控制器由汽輪發(fā)電機(jī)組控制器和汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器兩部分組成。

1) 汽輪發(fā)電機(jī)組控制器是DEH系統(tǒng)的核心部件，控制算法和控制策略的計(jì)算均由其主控芯片完成。因此，保持機(jī)組控制器可靠是使汽輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定、安全運(yùn)行的關(guān)鍵[7]。汽輪發(fā)電機(jī)組控制器的硬件原理框圖見圖5。

2) 汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的主要功能是接收機(jī)組控制器的調(diào)速信號，并依據(jù)該信號控制汽輪發(fā)電機(jī)組液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對汽輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)。汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的硬件原理框圖見圖6。

圖5　汽輪發(fā)電機(jī)組控制器硬件原理框圖

圖6　汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器原理框圖

3.2軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)船用負(fù)載的特點(diǎn)，船舶電網(wǎng)的容量、組網(wǎng)方式、電壓等級及配電裝置等與陸上電力系統(tǒng)有很大差別[8-9]。在對汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行改裝時(shí)保留了原液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于汽輪發(fā)電機(jī)組液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性比較復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的PID控制器雖然可以實(shí)現(xiàn)對其的控制，但對PID參數(shù)整定的要求較高，因此設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對汽輪發(fā)電機(jī)組的有效控制。DEH控制器模糊自適應(yīng)PID控制流程見圖7。

實(shí)船汽輪發(fā)電機(jī)組液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)對外有同步器和功率校正器兩個(gè)控制接口，對汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行二次調(diào)頻時(shí)可僅使用同步器進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是，同步器驅(qū)動(dòng)電機(jī)為三相交流電機(jī)，僅有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)，轉(zhuǎn)速不可調(diào)，這就相當(dāng)于在調(diào)節(jié)回路中串聯(lián)了一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，等效傳遞函數(shù)為

(1)

式(1)中:n(s)為三相交流電機(jī)的輸出值；u(s)為三相交流電機(jī)的脈沖開關(guān)量輸入值；K0為三相交流電機(jī)輸出值換算系數(shù)；T0為與三相交流電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)的時(shí)間常數(shù)。

上述情況勢必會(huì)降低控制算法對系統(tǒng)的控制效果。而由實(shí)船測試得到的數(shù)據(jù)得知，功率校正器的調(diào)節(jié)范圍較小，若僅依靠功率校正器來進(jìn)行汽輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)，則無法覆蓋汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍。因此,針對實(shí)船情況設(shè)計(jì)新的控制策略，將功率校正器和同步器聯(lián)合來完成汽輪發(fā)電機(jī)組的控制。

1) 給功率校正器設(shè)定一個(gè)工作區(qū)間，工作區(qū)間以外分別設(shè)置上飽和緩沖區(qū)和下飽和緩沖區(qū)。為保證調(diào)節(jié)作用的迅速性，DEH控制器的輸出信號先作用到功率校正器驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)控制量的快速輸出;功率校正器動(dòng)作時(shí)，可短時(shí)動(dòng)作至飽和緩沖區(qū)。但是,考慮到功率校正器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的平衡力矩是由彈簧提供的，為延長彈簧的使用壽命，同時(shí)使功率校正器在調(diào)節(jié)時(shí)向上下兩側(cè)均可迅速動(dòng)作，功率校正器不能長時(shí)間處于飽和緩沖區(qū)內(nèi)，需利用同步器對其進(jìn)行退飽和，使其在穩(wěn)態(tài)時(shí)處于工作區(qū)間內(nèi)。

2) 退飽和時(shí)機(jī)的選取。對頻率偏差設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)閾值和退飽和閾值;調(diào)節(jié)過程中，若功率校正器進(jìn)入飽和緩沖區(qū)，則同步器開始動(dòng)作，頻率偏差會(huì)逐漸減小;當(dāng)偏差小于退飽和閾值后，開始對功率校正器進(jìn)行退飽和操作(由于功率校正器進(jìn)行退飽和操作后相當(dāng)于輸入信號瞬間突變，會(huì)導(dǎo)致頻率偏差增大，控制器會(huì)判定功率校正器需再次進(jìn)入飽和緩沖區(qū)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此在實(shí)際控制算法中，當(dāng)頻率偏差小于退飽和閾值后，功率校正器延時(shí)一段時(shí)間后再退飽和)，即將功率校正器調(diào)至工作區(qū)間內(nèi);此時(shí)，同步器依然動(dòng)作，直至調(diào)節(jié)頻率偏差至死區(qū)閾值以內(nèi)。

該控制方案充分結(jié)合了功率校正器的快速反應(yīng)能力和同步器調(diào)節(jié)的寬范圍，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)對調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)范圍的高性能要求。功率校正器退飽和控制程序流程見圖8。

圖7　DEH控制器模糊自適應(yīng)PID控制流程

圖8　功率校正器退飽和控制程序流程

4仿真驗(yàn)證

4.1仿真環(huán)境的搭建

為驗(yàn)證DEH控制器的可靠性及控制性能，搭建汽輪發(fā)電機(jī)組DEH控制器硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺。仿真試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖9。

汽輪發(fā)電機(jī)組DEH控制器硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的工作流程如下。

1) 仿真系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置的模型及參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，同時(shí)將仿真的汽輪發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)通過I/O接口板卡和信號調(diào)理模塊輸出至DEH控制器中。

2) DEH控制器接收來自仿真平臺的汽輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)信號，并根據(jù)編寫好的控制策略計(jì)算出控制指令，然后通過同步器驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、功率校正器驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊和信號調(diào)理模塊將控制信號反饋至汽輪發(fā)電機(jī)組仿真模型中，改變汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

圖9　硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3) 用戶可通過仿真計(jì)算機(jī)中的人機(jī)交互圖形界面觀察汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置汽輪發(fā)電機(jī)組仿真參數(shù)，對仿真系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

這里主要采用機(jī)理分析法對被控對象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，將系統(tǒng)按功能模塊化，各個(gè)模塊獨(dú)立建模;最后將建立的各模塊模型綜合起來構(gòu)成汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真模型。

4.1.1信號油泵調(diào)速器

信號油泵調(diào)速器特性方程為

(2)

式(2)中:p10，p20分別為油泵在額定轉(zhuǎn)速下的進(jìn)口和出口油壓；n0為油泵的額定轉(zhuǎn)速；n為油泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速[10]。

增量線性化方程為

(3)

4.1.2帶同步器的壓力變換器

壓力變換器閥芯運(yùn)動(dòng)微分方程為

(4)

式(4)中:A1為壓力變換器閥芯面積；M1為折算到閥芯上的慣性質(zhì)量；c1為粘性阻尼系數(shù)；k1為壓力變換器彈簧勁度系數(shù)；x10為彈簧的預(yù)壓縮量；x1為閥芯位移，取使泄油口增大的方向?yàn)檎较颉?/p>

增量方程的拉氏變換式為

(5)

式(5)中:下標(biāo)“*”表示增量，下同。

壓力變換器控制的二次脈動(dòng)油路泄油口脈動(dòng)油流量方程為

(6)

式(6)中:C1為壓力變換器泄油口的流量系數(shù)；b1為壓力變換器泄油口寬度；x10′為壓力變換器泄油口初始開度；p為脈動(dòng)管路油壓值;ρ為壓力油的密度。

線性化的增量方程為

(7)

4.1.3滑閥油動(dòng)機(jī)

滑閥油動(dòng)機(jī)由錯(cuò)油門(又稱控制滑閥)和油動(dòng)機(jī)兩部分組成。

錯(cuò)油門的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(8)

式(8)中:A2為錯(cuò)油門閥芯面積；M2為折算到閥芯上的慣性質(zhì)量；c2為粘性阻尼系數(shù)；k2為錯(cuò)油門彈簧勁度系數(shù)；x2為閥芯位移，取使錯(cuò)油門中的彈簧伸長的方向?yàn)檎较颉?/p>

錯(cuò)油門受力平衡增量方程的拉氏變換式為

(9)

錯(cuò)油門和油動(dòng)機(jī)可看作四通閥閥控液壓缸系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)[11]為

(10)

式(10)中:x3為油動(dòng)機(jī)活塞的位移，取使蒸汽閥門開度增大的方向?yàn)槠湔较颍籯x為錯(cuò)油門滑閥的流量增益；A3為油動(dòng)機(jī)活塞的有效面積；kt為總的“流量-壓力”系數(shù)；V為錯(cuò)油門油腔、油動(dòng)機(jī)油腔及兩者之間管道的總?cè)莘e；βe為透平油的體積彈性模數(shù)；ω為液壓缸系統(tǒng)的固有頻率；ζ為相對阻尼系數(shù)。

由于液壓缸系統(tǒng)的固有頻率ω遠(yuǎn)大于液壓系統(tǒng)的實(shí)際工作頻率，因此可忽略包含ω的響應(yīng)環(huán)節(jié)。

(11)

油動(dòng)機(jī)控制的反饋油口脈動(dòng)油流量方程為

(12)

式(12)中:C3為油動(dòng)機(jī)控制脈動(dòng)油路油口的流量系數(shù)；b3為油動(dòng)機(jī)控制脈動(dòng)油路油口的寬度；x30′為油動(dòng)機(jī)泄油口初始開度。

式(12)線性化的增量方程為

(13)

4.1.4功率校正器

功率校正器控制的二次脈動(dòng)油路泄油口脈動(dòng)油流量方程為

(14)

式(14)中:C4為功率校正器泄油口的流量系數(shù)；b4為功率校正器泄油口寬度；x40′為功率校正器泄油口初始開度。

式(14)線性化的增量方程為

(15)

4.1.5液壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)

節(jié)流孔的作用是穩(wěn)定二次脈動(dòng)油路的油壓，降低一次油路油壓的波動(dòng)對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響。節(jié)流孔流量方程為

(16)

式(16)中:C0為節(jié)流孔流量系數(shù)；A0為節(jié)流孔等效面積。

線性化的增量方程為

(17)

由質(zhì)量守恒可知，二次脈動(dòng)油路的進(jìn)油量等于出油量，即得到二次脈動(dòng)油路連續(xù)流量方程為

(18)

故有

-B1x1+B3x3-B5x4-B7p2=

(19)

4.1.6蒸汽容積

蒸汽容積的傳遞函數(shù)為

(20)

式(20)中:Tρ為進(jìn)汽容積時(shí)間常數(shù)，表示在進(jìn)汽閥門全開、蒸汽充滿容積并使之達(dá)到一定密度所需要的時(shí)間[12];Xs1為調(diào)節(jié)氣閥開度的相對值。

4.1.7汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子數(shù)學(xué)模型

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的傳遞函數(shù)為

(21)

式(21)中:Ta為轉(zhuǎn)子的飛升時(shí)間常數(shù);β為自平衡系數(shù)。由β的表達(dá)式可知，其為無量綱量，表示與附加損耗有關(guān)的系數(shù)[13]。陸地?zé)o窮大電網(wǎng)中，汽輪發(fā)電機(jī)組的自平衡能力較強(qiáng)，但在船舶電網(wǎng)單機(jī)及并網(wǎng)運(yùn)行的工況下，其自平衡能力比較差，通常可忽略自平衡系數(shù)β[14]。

在MATLAB/Simulink仿真軟件中建立汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)運(yùn)行的仿真模型(見圖10)。

圖10　汽輪發(fā)電機(jī)組仿真模型

利用RTW的外部模式功能實(shí)現(xiàn)模型的實(shí)時(shí)仿真，利用MATLAB/Simulink和LabVIEW混合編程技術(shù)編寫仿真測試軟件。HIL實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)物見圖11。

4.2硬件在環(huán)仿真結(jié)果及分析

搭建好硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺后，對DEH控制器的控制效果進(jìn)行仿真測試。汽輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)過程比較復(fù)雜，冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)需先進(jìn)行升速和暖機(jī)操作。這里實(shí)船汽輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)為手動(dòng)啟動(dòng)，DEH控制器沒有設(shè)計(jì)自動(dòng)啟停功能，因此僅對不同汽輪發(fā)電機(jī)組仿真模型參數(shù)下的突加、突減負(fù)荷控制過程進(jìn)行硬件在環(huán)測試。試驗(yàn)中,功率校正器上飽和緩沖區(qū)的下閾值為1 Hz，下飽和緩沖區(qū)的上閾值為-1 Hz，達(dá)到退飽和頻率后功率校正器的延時(shí)時(shí)間為0.5 s。

部分測試結(jié)果及分析如下。

4.2.1測試一

測試條件為：在50 s時(shí)突加50%負(fù)載，70 s時(shí)突卸30%負(fù)載，頻率波形見圖12。

圖11　硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)實(shí)物圖

圖12　測試一結(jié)果

測試結(jié)果分析：在該測試條件下，負(fù)載變化時(shí)功率校正器驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，但并未進(jìn)入飽和緩沖區(qū);同步器未動(dòng)作，僅靠功率校正器完成調(diào)節(jié)功能。

4.2.2測試二

測試條件為：仿真模型參數(shù)設(shè)置同測試一，在50 s時(shí)由空載突加100%負(fù)載，70 s時(shí)突卸70%負(fù)載。頻率波形見圖13。

測試結(jié)果分析：在該測試條件下，負(fù)載突增時(shí)功率校正器驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作并進(jìn)入飽和緩沖區(qū)，同步器驅(qū)動(dòng)電機(jī)也動(dòng)作;當(dāng)頻率偏差小于退飽和閾值后，功率校正器在55 s左右時(shí)返回工作區(qū)，同步器驅(qū)動(dòng)電機(jī)繼續(xù)動(dòng)作，直至頻率偏差小于死區(qū)閾值。突卸負(fù)載時(shí)的調(diào)節(jié)過程與上述過程類似。

4.2.3測試三

測試條件為：功率校正器泄油口寬度增加50%，其他參數(shù)同測試一，在50 s時(shí)突加50%負(fù)載，70 s時(shí)突卸30%負(fù)載，頻率波形見圖14。

圖13　測試二結(jié)果

圖14　測試三結(jié)果

圖15　測試四結(jié)果

測試結(jié)果分析：由于功率校正器泄油口寬度增加，功率校正器的調(diào)節(jié)作用更加靈敏，因此與測試一相比，負(fù)載突變時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)反應(yīng)更迅速，但也會(huì)增加系統(tǒng)的超調(diào)。在該條件下，同步器未動(dòng)作。

4.2.4測試四

測試條件為：仿真模型參數(shù)設(shè)置同測試三，在50 s時(shí)由空載突加100%負(fù)載，70 s時(shí)突卸70%負(fù)載，頻率波形如見圖15。

測試結(jié)果分析：由測試波形可知，與測試二相比，負(fù)載突變時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)反應(yīng)速度更快，超調(diào)量增加。在該條件下，同步器動(dòng)作。負(fù)載在50 s時(shí)突增，約53 s頻率偏差小于退飽和閾值，功率校正器退回工作區(qū)，同步器驅(qū)動(dòng)電機(jī)繼續(xù)動(dòng)作，直至頻率偏差小于死區(qū)閾值。

由以上仿真測試結(jié)果可知，新研制的DEH控制器可實(shí)現(xiàn)對汽輪發(fā)電機(jī)組模型的控制，且針對不同參數(shù)的汽輪發(fā)電機(jī)組均可達(dá)到較好的控制效果。引入模糊控制算法后，減少了PID參數(shù)調(diào)試的工作量。

5結(jié)語

依托某型船舶電站系統(tǒng)改換裝項(xiàng)目，對數(shù)字式電氣液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì);結(jié)合原液壓控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作了新型DEH控制器，并建立了硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證了DEH控制器的控制性能。仿真結(jié)果表明,新控制器達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。后續(xù)實(shí)船試驗(yàn)將針對具體汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)整控制器參數(shù)，驗(yàn)證控制器對實(shí)船汽輪發(fā)電機(jī)組的控制性能。

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Upgrade of Marine Steam Turbine Generator Set Control System with the DEH Technology

GONGXiwen，ZHUJing

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135,China)

Abstract:For large ships, especially for large naval vessels, steam turbine generator set is one of the fundamental components of the ship power system. Last century, a large number of turbine-generator set were imported to China. Because of years of service, seriously ageing of electrical parts of these turbine-generator sets leads to frequent malfunctions. Because the original monitoring system uses analog electric-hydraulic design with discrete components, its reliability and maintainability is poor. To solve the problems, a new digital electro-hydraulic controller for replacing the original analogue controller is developed as a part of the power station modification project for one of the imported ships. In order to verify the performance and reliability of the new controller, a mathematic model of the steam turbine generator set is built, and a hardware-in-the-loop real-time simulation system is constructed. The simulation results show that the newly developed controller can well achieve the control function of the steam turbine generator set.

Key words:marine steam turbine generator set; digital electro-hydraulic control; hardware-in-the-loop

收稿日期：2016-03-23

作者簡介：龔喜文(1978—)，男，江西宜豐人，高級工程師，碩士，從事艦船自動(dòng)化研究。

文章編號：1674-5949(2016)02-0005-09

中圖分類號：U665.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

朱晶(1988—)，男，河南民權(quán)人，助理工程師，碩士，從事艦船自動(dòng)化研究。