柴油發電機組建模和運行仿真研究

程小松

摘 要：為了使柴油發電機組有更精準的動態仿真，從而進行柴油發電機組模型的制作，便于進行研究。考慮到同步發電機的定子暫態，將變阻抗負荷加入模型中。基于MATLAB的Simulink組建，將實際測試數據當成依據，進行柴油發電機組仿真模型的制作，以此實現其運行的仿真，便于研究的實施。

關鍵詞：柴油發電機組；建模研究；運行仿真研究

柴油發電機組的運行是組成電站運行的重要風分。電站的容量大小與柴油發電機組數量存在著因果關系，電站的穩定性能夠直接決定柴油發電機組的穩定性。由于柴油發電機組模型能夠直接反應出電站運行控制、仿真和性能，因此其意義十分明顯。本文簡要闡述柴油發電機組建模和仿真技術，并開展對模型建立、運行仿真的研究。

1、建模方法

模型方法是將一系列模型設計并用來對可能的系統模式進行描述，整體模型通過與特定系統模式匹配模型并行結構的一個確定性組合構成。該建模思想不但能在由多個單元系統組成的非線性系統中應用，同時在描述過于復雜或是無法采取單一方法的系統模型時，還能采用人工技術將系統運行域分離成含有部分特征標志的工作域[1]，隨后在工作域中對較為簡單的動態行為進行研究從而解答出子問題，最后利用相關合成方法將原始問題的最終答案獲得”，因此，在復雜非線性系統的建模中，通常是以多模型切換建模方法進行。

2、仿真技術

隨著科學技術的快速發展，研究對象也在逐漸增加，也相應的提高了仿真技術。以往的局部仿真已變為全程仿真，以往的單一平臺仿真也逐漸變為多平臺分布式仿真，而性能仿真也實現了性能與結構的綜合仿真。而仿真技術也在現代信息技術的推動下得到了很好的發展和應用。在任何使用其他方法需要復雜的實際試驗或是直接試驗能或是不能得到預期成果中都能應用仿真技術，該技術逐漸成為一種科研工具、一種工程實踐方法，是將理論和實踐相結合的結束。

3、發電柴油機模型

發電柴油機用四沖程高速柴油機，其特點為轉速高且穩定性好。以采用型式四沖程，單作用，筒形活塞的發電柴油機為例，柴油機通過彈性聯軸器與空冷式發電機連接額定功率和轉數540kW×1000r/min。發電柴油機燃用380cst/50℃燃料油，必要時可用輕柴油。對于其仿真，由于主要關注其外部的轉矩和轉速等，不對其內部燃燒，進、排氣、增壓過程作詳細分析和建模。采用平均值模型并做修正。柴油機產生的平均指示扭矩由燃油平均質量流量mf、燃油低熱值Hu、指示效率ηi，及沖程數 st決定。

柴油機的磨擦損失壓力Pf看成柴油機轉速的二次函數

式中C1、C2為與特定柴油機結構有關的常數，取實驗擬合值。

以汽缸容積變化和平均摩擦損失壓力為參考能將平均摩擦損失功率得到，從而得出平均摩擦轉矩Tf：

柴油機的輸出轉矩是噴油量δ、轉速ω、進氣量系數α的函數。也可看成油門開度或動力活塞位置Ζ的函數。在近似模型中將柴油機油門開度增量和轉矩增量認定為線性關系：

將其轉為標值方程，將Δ除去。Td是轉矩增量，α是油門開度增量，td是

延遲時間常數。即得：

在進行柴油機精確模型建立時，必須對其轉動微分方程進行考慮：

在柴油機的系統穩定工作點附近，存在：

輸出轉矩增量ΔTd是轉速增量和活塞位置增量的函數：

阻力矩增量ΔTc是轉速增量和負荷因數增量的函數：

將上兩個公式代入得

4、柴油發動機組運行仿真

圖1中，負載模塊（恒定阻抗和變負載模擬）、調速器模塊、各臺柴油機模塊、并車控制模塊、坐標變換模塊、同步發電機模塊和勵磁控制模塊共同構成了仿真模型，負載有功和無功功率由各臺發電機合作承擔。維持電網用電負荷不變，僅增加一臺發電機輸入功率能將其輸出有功功率提高，而另一臺發電機則會降低有功功率。增加發電機組輸入功率會加快其轉速，另一臺由于減少了功率也會加快轉速，因此在一定程度上提高了電網的頻率[3]；而如果僅降低一臺發電機輸入機械功率，電網頻率也會降低。所以為了使電網頻率維持不便，必須對并聯機組的輸入功率向反方向同時調節。

5仿真結果分析

在起動的第一階段，壓縮空氣產生的機械功率較小，進入起動過程的第二階段后，柴油機的機械功率在其調速器作用下，調節噴油量，先是機械功率大幅度增加，使柴油機轉速急劇上升，然后機械功率減小使轉速穩定至同步轉速。發電機端電壓建立過程中頻率從小到大，最后穩定在50Hz，發電機的端電壓的幅值逐步增加，最后穩定在400V。

6、結語

本文通過制作發電機組的模型和運行仿真，能溝將實際柴油發電機組運行過程較為完整的反應出來，其運行情況與實際運行情況較為符合，利用該方法能將并聯運行動態仿真中存在的精度問題解決，并在確保仿真精度的前提下將其運算速度提高。

參考文獻：

[1]李東輝.船舶柴油發電機組的建模與運行仿真研究[D].大連海事大學，2011.

[2]陳金濤，趙同賓，馮明志，艾鋼，曾憲友.基于AMESim的柴油發電機組建模與仿真[J].柴油機，2008，（01）：5-9.

[3]劉雨.船舶柴油發電機組的建模與智能控制的仿真研究[D].大連海事大學，2002.endprint