王 征,唐文俊
?
船舶發(fā)電機(jī)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(jī)組調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)的機(jī)理,在此基礎(chǔ)上建立建立柴油發(fā)電機(jī)組的模型,根據(jù)模型建立了柴油發(fā)電機(jī)組的仿真平臺(tái),仿真驗(yàn)證了所提模型的有效性。
柴油機(jī)組 調(diào)速系統(tǒng) 勵(lì)磁系統(tǒng) 仿真
船舶電力系統(tǒng)一般使用柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)同步發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,電壓取決于發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)[4,5]。
本文以柴油發(fā)電機(jī)組作為研究對(duì)象,從柴油機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理出發(fā),建立柴油發(fā)電機(jī)組的模型并進(jìn)行仿真分析。
柴油發(fā)電機(jī)組通過調(diào)速器的調(diào)節(jié)來維持柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,從而維持機(jī)組頻率的穩(wěn)定。柴油機(jī)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(gè)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(hào)變換成電壓信號(hào)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(gè)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(jī)的油門位置,K、T、T分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。
3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)
該環(huán)節(jié)可以簡(jiǎn)化后的傳遞函數(shù)為:
4)柴油機(jī)環(huán)節(jié)
機(jī)組的運(yùn)動(dòng)方程為:
將柴油機(jī)模型簡(jiǎn)化后,其傳遞函數(shù)為:
采用相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的船舶同步發(fā)電機(jī)其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
下面給出每個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型:
1)相復(fù)勵(lì)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(jī)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(hào)U可以表示為:
式中,參考電壓和為勵(lì)磁電壓的初始值分別用UU表示。
3)補(bǔ)償器模型
補(bǔ)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(bǔ)償時(shí)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(shí)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(lì)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(lì)磁機(jī)模型
該環(huán)節(jié)可以用勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)Te的表達(dá)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(shí)間常數(shù)。
搭建仿真平臺(tái)對(duì)船舶發(fā)電機(jī)組的建模進(jìn)行仿真驗(yàn)證。發(fā)電機(jī)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(jī)組在空載時(shí)帶50%負(fù)荷的柴油機(jī)功率、發(fā)電機(jī)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(jī)組帶50%負(fù)荷(負(fù)載為阻感性負(fù)載,有功功率與無功功率的比值為4:3時(shí)有功功率與無功功率的波形。
圖5給出了發(fā)電機(jī)組在帶40%負(fù)荷時(shí)突加負(fù)載的柴油機(jī)功率、發(fā)電機(jī)輸出電壓和轉(zhuǎn)速曲線,在5s時(shí)突加30%負(fù)載,機(jī)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(dòng)變化率為1.6%。
圖6給出了發(fā)電機(jī)組在帶100%負(fù)荷時(shí)突卸負(fù)載的柴油機(jī)功率、發(fā)電機(jī)輸出電壓和轉(zhuǎn)速曲線,在5 s時(shí)突卸30%負(fù)載,機(jī)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(dòng)變化率為0.5%,可以看出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較好。
本文分析了柴油機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,研究了發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)的機(jī)理,在此基礎(chǔ)上建立柴油發(fā)電機(jī)組的模型,搭建仿真平臺(tái)對(duì)所構(gòu)建的模型并進(jìn)行仿真,從仿真可分析得出,建立的摸柴油機(jī)組模型具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能,能夠真實(shí)的反映柴油機(jī)組的特性。
[1] 黃曼磊,唐嘉亨,郭鎮(zhèn)明. 柴油機(jī)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(bào),1997,6:20-25.
[2] 莊一凡. 船舶發(fā)電柴油機(jī)電子調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真[J].西安文理學(xué)院學(xué)報(bào),2010,31(1):99-101.
[3] 黃曼磊,李殿璞. 船舶電站同步發(fā)電機(jī)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(bào),2004,25(3):305-308.
[4] 孫建忠,白鳳仙. 無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真研究[J]. 電機(jī)技術(shù), 2010,5:5-7.
[5] 李豪舉,陳紅衛(wèi).電力推進(jìn)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