船舶發(fā)電機組的建模與仿真研究

王 征，唐文俊

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船舶發(fā)電機組的建模與仿真研究

王 征，唐文俊

(海軍駐廣州某軍代表室，廣州 510382)

根據(jù)柴油機組調(diào)速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)的機理，在此基礎(chǔ)上建立建立柴油發(fā)電機組的模型，根據(jù)模型建立了柴油發(fā)電機組的仿真平臺，仿真驗證了所提模型的有效性。

柴油機組 調(diào)速系統(tǒng) 勵磁系統(tǒng) 仿真

0 前言

船舶電力系統(tǒng)一般使用柴油機作為原動機拖動同步發(fā)電機為全船提供電力供應(yīng)[1-3]。船舶電網(wǎng)要保證頻率和電壓的穩(wěn)定，才能使用電設(shè)備正常工作，而電網(wǎng)的頻率取決于原動機的轉(zhuǎn)速，電壓取決于發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)[4,5]。

本文以柴油發(fā)電機組作為研究對象，從柴油機及其調(diào)速系統(tǒng)、發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)的工作原理出發(fā)，建立柴油發(fā)電機組的模型并進行仿真分析。

1 柴油機調(diào)速系統(tǒng)

柴油發(fā)電機組通過調(diào)速器的調(diào)節(jié)來維持柴油機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，從而維持機組頻率的穩(wěn)定。柴油機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如圖1所示。

下面給出了控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的介紹：

1）轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)

該單元主要通過轉(zhuǎn)速傳感器采樣轉(zhuǎn)速，并通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)速信號變換成電壓信號U，其傳遞函數(shù)為：

2）轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)是一個PID控制器，其數(shù)學(xué)模型為：

式中，U為給定轉(zhuǎn)速與采樣轉(zhuǎn)速之間的差值，為柴油機的油門位置，K、T、T分別為比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。

3）執(zhí)行機構(gòu)環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)可以簡化后的傳遞函數(shù)為:

4）柴油機環(huán)節(jié)

機組的運動方程為：

將柴油機模型簡化后，其傳遞函數(shù)為：

2 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)

采用相復(fù)勵勵磁系統(tǒng)的船舶同步發(fā)電機其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

下面給出每個環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型：

1）相復(fù)勵裝置

該裝置模型如下所示：

式中，U為裝置的輸出電壓，U、U分別為發(fā)電機d軸和q軸的電樞端電壓，為常數(shù)取，x為移向電抗。

2）電壓差模型

電壓差以及輸出信號U可以表示為：

式中，參考電壓和為勵磁電壓的初始值分別用UU表示。

3）補償器模型

補償器的模型可以表示為：

輸出電壓表示為UTT分別為超前和滯后補償時間常數(shù)。

4）放大器模型

放大器輸出電壓可以表示為：

K和T分別為輸出電壓和時間常數(shù)。

5）比例飽和環(huán)節(jié)

其模型如下：

(11)

(12)

式中E為勵磁調(diào)壓裝置的輸出電壓，E為輸出電壓，E為該環(huán)節(jié)的限幅值。

6）交流勵磁機模型

該環(huán)節(jié)可以用勵磁機時間常數(shù)Te的表達式表示為：

7）反饋穩(wěn)定環(huán)節(jié)

其模型為：

KT分別為該環(huán)節(jié)的增益和時間常數(shù)。

3 仿真驗證

搭建仿真平臺對船舶發(fā)電機組的建模進行仿真驗證。發(fā)電機組的參數(shù)完全相同：容量為4000 kW，功率因數(shù)0.8，頻率50 Hz，為0.128，為0.293，為1.24，為28.2ms，為574 ms，為55 ms。

圖3給出了發(fā)電機組在空載時帶50%負荷的柴油機功率、發(fā)電機輸出電壓和轉(zhuǎn)速曲線，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，輸出電壓及頻率穩(wěn)定。圖4給出了發(fā)電機組帶50%負荷(負載為阻感性負載，有功功率與無功功率的比值為4:3時有功功率與無功功率的波形。

圖5給出了發(fā)電機組在帶40%負荷時突加負載的柴油機功率、發(fā)電機輸出電壓和轉(zhuǎn)速曲線，在5s時突加30%負載，機組功率增加，輸出電壓下降，但是很快恢復(fù)到額定值，轉(zhuǎn)速下降，經(jīng)過調(diào)節(jié)后在2.4s恢復(fù)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速最大的波動變化率為1.6%。

圖6給出了發(fā)電機組在帶100%負荷時突卸負載的柴油機功率、發(fā)電機輸出電壓和轉(zhuǎn)速曲線，在5 s時突卸30%負載，機組功率減小，輸出電壓上升并迅速恢復(fù)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速下降，經(jīng)過調(diào)節(jié)后在2s恢復(fù)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速最大的波動變化率為0.5%，可以看出系統(tǒng)的動態(tài)性能較好。

4 小結(jié)

本文分析了柴油機及其調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，研究了發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)的機理，在此基礎(chǔ)上建立柴油發(fā)電機組的模型，搭建仿真平臺對所構(gòu)建的模型并進行仿真，從仿真可分析得出，建立的摸柴油機組模型具有良好的動、靜態(tài)性能，能夠真實的反映柴油機組的特性。

[1] 黃曼磊，唐嘉亨，郭鎮(zhèn)明. 柴油機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，1997,6:20-25.

[2] 莊一凡. 船舶發(fā)電柴油機電子調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真[J].西安文理學(xué)院學(xué)報，2010,31(1):99-101.

[3] 黃曼磊,李殿璞. 船舶電站同步發(fā)電機調(diào)壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2004,25(3):305-308.

[4] 孫建忠，白鳳仙. 無刷勵磁同步發(fā)電機系統(tǒng)仿真研究[J]. 電機技術(shù), 2010,5:5-7.

[5] 李豪舉，陳紅衛(wèi).電力推進船舶供電單元建模與仿真[J]. 船電技術(shù), 2009,29(11):18-22.

Research on Modeling and Simulation of Marine Diesel Generator Set

Wang Zheng, Tang Wenjun

(Naval Representatives Office in Guangzhou, Guangzhou 510382, China)

TM611

A

1003-4862（2017）03-0045-03

2016-09-15