基于AMEsim的船用柴油發電機組仿真

2020-05-13 06:40:36黃伍德劉海洋

機電設備 2020年2期

張猛，黃伍德，劉海洋，王恒

（1. 海軍駐大連地區第一軍事代表室，遼寧鐵嶺 112000；2. 上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著當代船舶大型化、綜合化、自動化程度的不斷提高，越來越多的船用設備需要使用電能來驅動或控制。船用設備和船舶運行工況日益復雜，直流電力系統、電力推進系統等新型船舶電力系統方向的發展，均給船舶供電系統提供穩定可靠的高品質電能帶來了新的挑戰。

針對船舶電力系統最經濟有效的研究分析方法即計算機建模與仿真。船用柴油發電機組往往需要面臨連續高負荷、連續低負荷、負荷突加突卸、周期性負荷、脈沖性負荷等工況，需對其相應的工況過程進行研究，以保證機組響應特性滿足電力系統的要求[1]。對柴油發電機組進行試驗測試成本高、工作量大且受試驗條件約束，合理運用建模與仿真技術能降低研發成本，縮短研發周期，提高研發效率。由此，計算機仿真技術是電力部門降低生產成本、保持技術優勢和尋求船電系統設計最優解的重要手段，也是評估電力系統運行性能的有效方法，具有較高的經濟性與實用性。

隨著計算機仿真技術的不斷發展及柴油發電機理論數學模型的不斷完善，可建立精度較高的仿真模型對柴油發電機組進行研究。柴油發電機組是船舶供電系統的重要組成單元，柴油機與發電機相互耦合形成不可分割的一個整體，因此，在進行機組仿真分析時，建立精確的柴油機、發電機運行仿真模型很重要。

以往柴油發電機組的仿真模型大多基于微分方程數學模型建立，再進行編程計算，但此舉編程調試工作量大，計算結果的分析處理也相對復雜。而AMEsim是應用于信號控制、機械、發動機等領域的系統建模、仿真及動力學分析軟件，可實現多學科領域的復雜系統建模、仿真及分析。AMEsim軟件對柴油發電機組的建模既不需要建立微分方程，也不用編寫代碼，可直接利用模塊化單元進行仿真建模，同時也可實時監控參數變化、提取仿真結果，高效便捷。

柴油機作為一個復雜的機械系統，其輸出信號（主要為轉速和扭矩）受較多因素的影響，包括進排氣流量及壓力、燃油壓力、噴油設置、調速規律、負載大小及變化等；另一方面，發電機負載的變化會引起聯軸器力矩的變化，從而影響轉速的變化，而轉速又反過來會影響發電機產生的電壓。由此可見，柴油機和發電機可構成一個互相影響又共同趨向動態平衡的整體，因此應綜合考慮二者的影響[2]。

本文采用AMEsim仿真軟件對某柴油發電機組進行詳細建模與仿真，模型中包含了渦輪增壓器、中冷器、氣缸、曲軸、電子調速器等柴油機部件，以及主發電機、勵磁機、AVR等發電機部件，仿真結果與實測結果在誤差允許范圍內，與實際相符。

1 柴油發電機組模型的建立

1.1 系統劃分

將柴油發電機組劃分為柴油機和發電機2大部分，結構原理如圖1所示。其中，柴油機部分包括進排氣系統、中冷器、廢氣渦輪增壓器、調速器、供油裝置、柴油機主體（機體、氣缸、活塞、連桿、曲軸等）等；發電機部分則主要包括發電機主體、AVR（自動勵磁調節系統）、勵磁機等。柴油機和發電機之間通過聯軸器連接[3]。

1.2 柴油機燃燒室基本方程

為簡化燃燒室的熱力過程計算，將燃燒室簡化為零維系統，即假定燃燒室內工質在任意時刻都是理想均勻的，室內各處在同一時刻的溫度、成分和壓力均相同，即可用這3個物理量來描述燃燒室的氣體狀態，分別對應能量守恒方程、質量守恒方程和氣體狀態方程，如式（1）、式（2）、式（3）。

式中：U為燃燒室內工質內能，J；W為對外做功，J；Qf為燃燒放熱，J；Qm為氣缸壁傳熱，J；hin為進氣的焓，J/mol；min為進氣量，mol；hout為排氣的焓，J/mol；mout為排氣量，mol；φ為曲軸轉角，rad。

式中：m為燃燒室內工質質量，kg；mf為噴入的燃料質量，kg。

式中：p為燃燒室內氣體的壓力，Pa；V為燃燒室內氣體的體積，m3；R為熱力常數，J/（mol·K）；T為燃燒室內氣體的溫度，K。

1.3 工質燃燒模型

柴油發電機組的燃燒工質主要為柴油與空氣的混合物，工質的燃燒放熱規律對燃燒室內壓力和溫度的變化起主要作用，且對柴油機的機械運轉性能有較大影響。目前，船用柴油發電機組轉速大多高于1 000 r/min，為高速機組，故采用精度較高的雙韋伯函數模擬燃燒放熱規律。

圖1 柴油發電機組系統圖

式中：Qf為總放熱量，J；X1為預混合燃燒階段的放熱量，J；X2為擴散燃燒階段的放熱量，J；φB為燃燒起始角，rad；φzp為預混合燃燒持續角，rad；φzd為擴散燃燒持續角，rad；mp、md分別為對應兩階段的擬合參數；Qp、Qd分別為兩階段的燃燒放熱量，J。

雙韋伯函數模型把工質燃燒分為預混合燃燒和擴散燃燒，預混合燃燒階段燃燒時間短、燃燒爆壓大、釋放熱量劇烈，擴散燃燒階段相對平緩。

1.4 氣缸周壁傳熱

燃燒室是由氣缸蓋底面、活塞頂面和氣缸套內表面圍成的封閉空間，其內部的高溫工質與這些表面發生熱交換。根據經典傳熱學中的牛頓冷卻公式，燃燒室周壁傳熱率如式（7）

式中：ω為柴油機曲軸轉動角速度，r/s；αw為瞬時平均換熱系數；Ai為換熱面積，m2；T為工質瞬時溫度，K；Twi為壁面平均溫度，K，i＝1, 2, 3分別對應氣缸蓋、活塞、氣缸套。

1.5 進/排氣模型

柴油機進、排氣模型主要包括2部分：流量模型和管道流動模型。流量模型用以計算工質流經進氣閥、排氣閥的質量流量，即式（1）中對min、mout的計算；質流量與氣閥流通截面積和流量系數有關。氣閥流通截面積隨氣門的升程而變化，氣門升程由凸輪和搖臂機構及曲軸轉角而定。流量系數一般以氣門升程為參數進行描述，由廠家實驗數據或經驗公式而定。

管道流動模型用以確定工質在管道流動中的壓力、溫度等狀態參數的變化，通常采用容積法進行計算，即將進氣管道、排氣管道都簡化為定容容器[4]。其中，進氣管道包括氣缸蓋的進氣道、進氣支管、進氣總管、壓氣機容積等；排氣管道包括氣缸蓋排氣道、排氣支管、排氣總管和廢氣渦輪進氣渦殼等。

1.6 調速系統

柴油機調速系統仿真模型中采用的調速器為電子調速器。當機組負荷變化引起轉速變化時，調速系統通過控制供油裝置執行器的燃油齒條位置，改變噴油器供油量進而調節轉速使其控制在特定范圍內。該模型中柴油機調速系統采用雙PID閉環調節，其原理如圖2所示。

圖2 調速系統原理圖

執行器是柴油機的供油執行單元，可根據接收的齒條位置信號來調整油泵齒條的實際位置，可簡化為1個一階慣性環節。

1.7 發電機模型

本文采用三相同步發電機的雙極理想模型，發電機主要考慮電磁部分與機械部分，即對應的電磁回路方程和轉子運動方程。雙極理想發電機模型示意如圖3所示，模型相關參量及其參考正方向如圖3中標注，通過派克變換可得到dq0坐標下的電壓方程和磁鏈方程。

式中：Lxx為各繞組的自感與互感。

圖3 雙極理想發電機的模型示意圖

發電機的電磁力矩方程為

發電機轉子動力學方程為

式中：J為發電機轉子的轉動慣量，kg·m2；Tm為柴油機通過聯軸器給發電機的力矩，N·m。動力學方程可以將外界輸入與發電機內部參量聯系起來。在仿真分析時，需要對模型的瞬態特性進行仿真，并綜合考慮模型的精細度和復雜度，采用實用五階模型。

1.8 發電機自動勵磁模型

本文所建立的機組模型選用了交流無刷同步發電機，根據無刷電機勵磁原理，將AVR采集的發電機發出的電壓信號與設定值進行比較。當發出電壓偏高時，AVR會調整勵磁機勵磁電流的大小，從而調整勵磁磁場強度，最終達到控制發電機輸出電壓的目的。發電機自動勵磁模型如圖 4所示。

圖4 發電機自動勵磁模型

2 仿真模型的建立

采用AMEsim軟件對柴油發電機組進行建模。首先根據機組的組成與特點，在軟件的模型庫中選擇相應模型并根據實際情況按順序進行連接；然后，對每一個模型選取適當的子模型，即選擇模塊背后的數學模型，如氣缸燃燒放熱可選擇Extended Chmela-based模型或雙韋伯函數模型；最后對各模型或子模型設置相應的參數或表達式即可。圖5為所建立的柴油發電機組的整體模型，圖6～圖8為渦輪增壓器、柴油機、聯軸器、發電機等主要組成部件的模型。