船用柴油機組調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

張安明 李玉生 王 偉

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧 大連116005 2中國艦船研究設(shè)計中心，武漢430064

船用柴油機組調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

張安明1李玉生1王 偉2

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧 大連116005 2中國艦船研究設(shè)計中心，武漢430064

模擬電力系統(tǒng)的模擬研究中，柴油機及其調(diào)速系統(tǒng)直接影響系統(tǒng)機電暫態(tài)過程的準確性，對于判別系統(tǒng)受到大擾動后的暫態(tài)穩(wěn)定和受到小擾動后的靜態(tài)穩(wěn)定性具有重要意義。從電站柴油發(fā)電機組的運動方程出發(fā)，在柴油機及其調(diào)速器數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字仿真計算機實時計算模擬轉(zhuǎn)矩指令，用以控制一套高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，從而實現(xiàn)電站柴油發(fā)電機組中柴油機及其調(diào)速器與系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的數(shù)?；旌夏M。實驗表明，該模擬系統(tǒng)通用性強，響應(yīng)速度快，準確性較高。

電力系統(tǒng)；柴油機；調(diào)速系統(tǒng)；動態(tài)模擬

1 引言

在電力系統(tǒng)模擬研究中，柴油機及其調(diào)速器模擬的準確程度直接影響到模擬系統(tǒng)機電暫態(tài)過程的真實性和準確性。柴油機及其調(diào)速器的模擬通常采用數(shù)學模擬方法計算，并由相應(yīng)的功率放大裝置實現(xiàn)其物理功能［1］。根據(jù)模型實現(xiàn)方式的不同，常用的模擬系統(tǒng)可分為模擬實現(xiàn)［2－3］和以轉(zhuǎn)速為控制對象的數(shù)字實現(xiàn)［4－5］兩種方式。

模擬實現(xiàn)方式依賴于模擬電動機和控制系統(tǒng)的物理性能和參數(shù)，其數(shù)學模型不易改變，通用性較差［6］；數(shù)字實現(xiàn)方式中的數(shù)學模型相對獨立，具有較強的靈活性，但它向調(diào)速系統(tǒng)發(fā)出的是轉(zhuǎn)速指令，調(diào)速系統(tǒng)中電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)受到轉(zhuǎn)動慣量的制約，轉(zhuǎn)速跟蹤是一個較慢的機械過程。因此，模擬系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速將明顯滯后于實際系統(tǒng)，模擬的準確性受到影響。

本文從實際發(fā)電機組的運動方程出發(fā)，在建立柴油機及其調(diào)速器數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，考慮了發(fā)電機組軸系轉(zhuǎn)動慣量的補償，利用數(shù)字仿真計算機實時仿真計算，獲得模擬轉(zhuǎn)矩指令，用以控制一套高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，從而實現(xiàn)發(fā)電機組中柴油機及其調(diào)速器以及系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的數(shù)?；旌夏M。實驗表明，該模擬系統(tǒng)通用性強，響應(yīng)速度快，模擬結(jié)果更為準確。

2 模擬系統(tǒng)的設(shè)計思想

電力系統(tǒng)模擬研究中，柴油機發(fā)電機組的運動方程為：

式中，J1為柴油機發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動慣量；ω1為柴油機的角速度；Tm為柴油機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；Tf1為柴油機發(fā)電機組的空載損耗轉(zhuǎn)矩；Tl1為柴油機發(fā)電機組的負載轉(zhuǎn)矩。

由式可知，轉(zhuǎn)動慣量一定時，發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速因轉(zhuǎn)矩的作用而改變。因此，模擬柴油機及調(diào)速器動態(tài)性能的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)矩的模擬。在一套由數(shù)字仿真計算機、變頻器、異步電動機等設(shè)備組成的柴油機及調(diào)速器模擬系統(tǒng)（圖1）中，只要使模擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩的標幺值與實際系統(tǒng)的標幺值相等，就可以準確地再現(xiàn)實際系統(tǒng)柴油機及調(diào)速器的動態(tài)過程［7］。

圖1 模擬系統(tǒng)的原理框圖Fig.1 Functional block diagram of simulator

3 轉(zhuǎn)矩的模擬

式（1）中，柴油機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩由柴油機及調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型得到。由若干個線性段逼近實際柴油機速度特性曲線的方法［8］建立柴油機數(shù)學模型，建模時考慮柴油機轉(zhuǎn)矩延遲［9］的影響；電子調(diào)速器按照其構(gòu)成原理可視為PID調(diào)節(jié)器；電磁執(zhí)行器可視為一階慣性環(huán)節(jié)。模擬系統(tǒng)的數(shù)學模型如圖2所示，圖中，k1、k2、T1、T2、T3分別為相應(yīng)的比例系數(shù)和時間常數(shù)。

數(shù)字仿真計算機按照圖2所示的數(shù)學模型實時仿真計算得到柴油機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，并按照串行通信協(xié)議以轉(zhuǎn)矩的方式控制由變頻器和異步電動機構(gòu)成的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。

圖2 柴油機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型Fig.2 Mathematical model of diesel governor system

模擬系統(tǒng)中電動機轉(zhuǎn)矩的實現(xiàn)為一個響應(yīng)極快的電磁過程，可以認為模擬系統(tǒng)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩是瞬時實現(xiàn)的，忽略其動態(tài)過程對模擬系統(tǒng)性能的影響。此時，圖1中G2（s）G3（s）＝k，即認為變頻調(diào)速系統(tǒng)僅是一級功率放大裝置，用于實現(xiàn)數(shù)字仿真計算機實時運算得到的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。

柴油機發(fā)電機組的空載損耗轉(zhuǎn)矩Tf1由被模擬的實際柴油機發(fā)電機組實測得到，并由變頻器按照大小為Tf1－Tf2（Tf2為模擬系統(tǒng)中電動機－發(fā)電機組空載損耗轉(zhuǎn)矩）的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動異步電動機實現(xiàn)。

柴油機發(fā)電機組的負載轉(zhuǎn)矩由負載的性質(zhì)決定，負載模擬可以按照相似原理用模擬發(fā)電機或其他物理模擬方式實現(xiàn)，這里不作詳細討論。

4 轉(zhuǎn)動慣量的模擬

一般而言，經(jīng)過標幺化處理的模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量與實際柴油機發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動慣量并不相等。必須采取適當?shù)难a償措施才能實現(xiàn)對實際柴油機發(fā)電機組轉(zhuǎn)動慣量的模擬。常用的轉(zhuǎn)動慣量補償方法有飛輪調(diào)整法和轉(zhuǎn)矩補償法［10］等。飛輪調(diào)整法簡單易行，但調(diào)整數(shù)值級數(shù)較少，且只能增加慣量。轉(zhuǎn)動慣量的轉(zhuǎn)矩補償法實質(zhì)上是對模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的數(shù)字化補償，較為靈活和通用，可以實現(xiàn)無級補償。

本文采用基于擴展模型參考自適應(yīng)（MRAS）的轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)矩補償方法，對模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量進行補償，其原理框圖如圖3所示。轉(zhuǎn)動慣量的數(shù)字化補償環(huán)節(jié)同模擬系統(tǒng)中發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子軸系上的轉(zhuǎn)動慣量一同構(gòu)成了對實際柴油機發(fā)電機組軸系轉(zhuǎn)動慣量的數(shù)?；旌夏M。必要時還可與飛輪調(diào)整法混合使用，具有較強的適應(yīng)性。

圖3 擴展MRAS方法的控制框圖Fig.3 Control strategy block diagram based on extended MRAS method

圖3中J1為實際系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量；J2為模擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量；Tf2（s）為模擬系統(tǒng)的空載損耗轉(zhuǎn)矩；Tl2（s）為模擬系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩；Te（s）為模擬系統(tǒng)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；ΔTi（s）為模擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量補償轉(zhuǎn)矩；ω2（s）為模擬系統(tǒng)的角速度；kcp和kci分別為自適應(yīng)機構(gòu)的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

擴展MRAS法首先以實際柴油機調(diào)速系統(tǒng)為參考模型，估算出當前時刻的目標角速度ω1，然后將測得的模擬系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)子角速度ω2與目標角速度ω1之差經(jīng)過自適應(yīng)機構(gòu)調(diào)節(jié)，得到模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量補償所需的電磁轉(zhuǎn)矩。

由圖3可知，擴展MRAS法的轉(zhuǎn)動慣量補償環(huán)節(jié)實質(zhì)上是一個特殊的速度閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：

由式（2）可得擴展MARS法轉(zhuǎn)動慣量補償環(huán)節(jié)的極點為：

式（3）中J1、J2、kci和kcp均大于零，模擬系統(tǒng)的極點均位于復(fù)平面的左半平面，系統(tǒng)穩(wěn)定。轉(zhuǎn)動慣量補償環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，只要恰當選擇自適應(yīng)機構(gòu)的積分系數(shù)kci就可以使模擬系統(tǒng)中轉(zhuǎn)動慣量補償環(huán)節(jié)具有足夠快的響應(yīng)速度，認為模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量補償轉(zhuǎn)矩是瞬間實現(xiàn)的，可忽略其動態(tài)過程對模擬系統(tǒng)性能的影響。

轉(zhuǎn)動慣量的補償轉(zhuǎn)矩也由數(shù)字仿真計算機實時運算，與柴油機的模擬轉(zhuǎn)矩合成后，按照轉(zhuǎn)矩控制的方式控制高性能交流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)。

5 模擬系統(tǒng)的構(gòu)成

按照上述模擬系統(tǒng)設(shè)計思想建立的柴油機及調(diào)速器仿真平臺如圖4所示。模擬系統(tǒng)中，數(shù)字仿真計算機采用主頻為2.4 GHz、內(nèi)存為256 M的工控機，用于實現(xiàn)上述數(shù)學模型的運算并控制變頻器驅(qū)動異步電動機實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩。變頻器采用30 kW的西門子MM440矢量控制變頻器，用于驅(qū)動額定功率為30 kW的異步電動機，作為模擬系統(tǒng)的功率放大裝置。工控機與變頻器之間的通信按照USS協(xié)議由RS－232串行通信完成，每轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生600個脈沖的增量式光電編碼器與研華PCI1711多功能數(shù)據(jù)采集卡一同構(gòu)成模擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量環(huán)節(jié)，用于模擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速反饋。

圖4 模擬系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)Fig.4 Hardware structure of the simulator

6 模擬系統(tǒng)性能的實驗驗證

采用上述模擬系統(tǒng)對額定功率為3 000 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r／min，機組轉(zhuǎn)動慣量為793.127 kg·m2的某型柴油機及調(diào)速系統(tǒng)進行模擬，驗證系統(tǒng)對實際柴油機及調(diào)速系統(tǒng)的模擬能力。分別對模擬系統(tǒng)施加按照0→60%PN→100%PN→0（PN為模擬系統(tǒng)中按照相似原理制造的同步發(fā)電機的額定功率）突變的有功負載，實測得到反映模擬柴油機及調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)過程的曲線如圖5所示。圖5中，負載突變后，模擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速按照實際柴油機調(diào)速系統(tǒng)的特性，經(jīng)過經(jīng)短暫的波動后快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。運算得到反映柴油機調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能的瞬態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)定時間如表1所示。

圖5 模擬系統(tǒng)的動態(tài)性能實驗曲線Fig.5 Measured dynamic characteristics curves of the simulator

表1 模擬系統(tǒng)的動態(tài)特性Tab.1 Dynamic characteristics of the simulator

表1中，模擬系統(tǒng)的瞬態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)定時間的相對誤差均小于5%，模擬效果較好，基本上可以反映出實際柴油機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)過程。

7 結(jié)論

本文提出基于轉(zhuǎn)矩跟蹤和轉(zhuǎn)動慣量補償?shù)臄?shù)字化模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了對柴油機及其調(diào)速器動態(tài)過程的準確模擬，可用于研究各種情況下電力系統(tǒng)機電暫態(tài)過程。在本模擬系統(tǒng)中，通過更換不同的數(shù)學模型，也可模擬其他種類的原動機和調(diào)速器，例如，水輪機、汽輪機和風力機等陸用大型電力系統(tǒng)中原動機及其調(diào)速器。此外，類似的系統(tǒng)也可應(yīng)用于船舶推進、汽車動力等領(lǐng)域的研究。

［1］《中國電力百科全書》編輯委員會.中國電力百科全書（電力系統(tǒng)卷）［M］.北京：中國電力出版社，2001：127－128.

［2］吳國瑜.電力系統(tǒng)仿真 ［M］.北京：水利電力出版社，1987：59－116.

［3］清華大學動態(tài)模擬實驗室工作組.電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗室［M］.北京：清華大學出版社，1960：18－223.

［4］林樺，常風云.船舶電站原動機及調(diào)速系統(tǒng)的混合仿真［J］.海軍工程學院學報，1997，9（3）：7－11.

［5］邵淼磊，王之杰，王碩豐，等.船用柴油發(fā)電機組及其調(diào)速系統(tǒng)的動、靜態(tài)仿真［J］.船舶工程，2003，25（2）：34－36.

［6］曾明.可控負荷模擬器在電力系統(tǒng)動態(tài)模擬中的應(yīng)用研究［D］.長沙：中南大學，2009：1－5.

［7］張安明，柴建云，王善銘，等.電力系統(tǒng)動態(tài)模擬中發(fā)電機組轉(zhuǎn)動慣量的補償［J］.清華大學學報（自然科學版），2006，46（10）：1661－1664.

［8］黃曼磊，唐嘉亨，郭鎮(zhèn)明.柴油機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型［J］.哈爾濱工程大學學報，1997，18（6）：20－25.

［9］SONG Q W，GRIGORIADIS K M.Diesel engine speed regulation using linear parameter varying control［C］／／Proceedings of 2003 American Control Conference.Piscataway.NJ：IEEE Press，2003.

［10］CHAI J Y，YANG K，LIU C W，et al.Inertia simulation by torque compensation in a wind turbine simulator［C］／／ICEMS.Korea，2004.

Simulation Study on Diesel Engine Speed Governor

Zhang An－ming1Li Yu－sheng1Wang Wei2
1 Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd，Dalian 116005，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

electric power system；prime mover；speed governor system；dynamic simulation

TM743

：A

：1673－3185（2011）04－92－04

2010-07-03

“十一五”海裝預(yù)先研究項目

張安明（1976－），男，碩士，工程師。研究方向：艦船電氣。E-mail：zhanganming＠tsinghua.org.cn

李玉生（1977－），男，工程師。研究方向：艦船電氣。E-mail：liyusheng＠sina.com.cn

王 偉（1977－），男，工程師。研究方向：艦船電氣。E-mail：Hust_ww＠163.com

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.020

Abastract：In the research of power system simulation，the accuracy of machine electricity transient study mainly depends on the precision of prime mover and governor system simulation，which plays important role in the power system research on transient stability and static stability when disturbance occurs.Based on the equation of motion，the torque was calculated by method of digital simulation to control the government system.The engine inertia and government system was simulated by the method of hybrid simulation.The results show that this simulation can fulfill the requirements of faster responds and higher accuracy.