船舶發電機組的建模與仿真研究

王 征，唐文俊

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船舶發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)

根據柴油機組調速系統和勵磁系統的機理，在此基礎上建立建立柴油發電機組的模型，根據模型建立了柴油發電機組的仿真平臺，仿真驗證了所提模型的有效性。

柴油機組 調速系統 勵磁系統 仿真

0 前言

船舶電力系統一般使用柴油機作為原動機拖動同步發電機為全船提供電力供應[1-3]。船舶電網要保證頻率和電壓的穩定，才能使用電設備正常工作，而電網的頻率取決于原動機的轉速，電壓取決于發電機的勵磁控制系統[4,5]。

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

1 柴油機調速系統

柴油發電機組通過調速器的調節來維持柴油機的轉速穩定，從而維持機組頻率的穩定。柴油機轉速控制系統如圖1所示。

下面給出了控制系統各個環節的介紹：

1）轉速反饋環節

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

2）轉速控制環節

該環節是一個PID控制器，其數學模型為：

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

3）執行機構環節

該環節可以簡化后的傳遞函數為:

4）柴油機環節

機組的運動方程為：

將柴油機模型簡化后，其傳遞函數為：

2 發電機勵磁系統

采用相復勵勵磁系統的船舶同步發電機其結構框圖如圖2所示。

下面給出每個環節的數學模型：

1）相復勵裝置

該裝置模型如下所示：

式中，U為裝置的輸出電壓，U、U分別為發電機d軸和q軸的電樞端電壓，為常數取，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。

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。

5）比例飽和環節

其模型如下：

(11)

(12)

式中E為勵磁調壓裝置的輸出電壓，E為輸出電壓，E為該環節的限幅值。

6）交流勵磁機模型

該環節可以用勵磁機時間常數Te的表達式表示為：

7）反饋穩定環節

其模型為：

KT分別為該環節的增益和時間常數。

3 仿真驗證

搭建仿真平臺對船舶發電機組的建模進行仿真驗證。發電機組的參數完全相同：容量為4000 kW，功率因數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給出了發電機組在空載時帶50%負荷的柴油機功率、發電機輸出電壓和轉速曲線，系統穩定性良好，輸出電壓及頻率穩定。圖4給出了發電機組帶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給出了發電機組在帶40%負荷時突加負載的柴油機功率、發電機輸出電壓和轉速曲線，在5s時突加30%負載，機組功率增加，輸出電壓下降，但是很快恢復到額定值，轉速下降，經過調節后在2.4s恢復穩定，轉速最大的波動變化率為1.6%。

圖6給出了發電機組在帶100%負荷時突卸負載的柴油機功率、發電機輸出電壓和轉速曲線，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到穩定，轉速下降，經過調節后在2s恢復穩定，轉速最大的波動變化率為0.5%，可以看出系統的動態性能較好。

4 小結

本文分析了柴油機及其調速系統的工作原理，研究了發電機及其勵磁系統的機理，在此基礎上建立柴油發電機組的模型，搭建仿真平臺對所構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，郭鎮明. 柴油機調速系統的數學模型[J].哈爾濱工程大學學報，1997,6:20-25.

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[3] 黃曼磊,李殿璞. 船舶電站同步發電機調壓系統的數學模型[J].哈爾濱工程大學學報,2004,25(3):305-308.

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

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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