船用燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真研究

呂文超，畢大強，呂飛鵬

船用燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真研究

呂文超1，畢大強2，呂飛鵬1

（1. 四川大學 電氣信息學院，成都市 610065；2.電力系統(tǒng)國家重點實驗室，清華大學電機系，北京 100084）

關注燃氣輪機電氣外特性，忽略其內(nèi)部化學反應和熱力循環(huán)，采用模塊化建模方法建立了船用燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)完整的數(shù)學模型，其中包括整流逆變模型、推進電機及螺旋槳負載模型。通過Simulink仿真，重點研究系統(tǒng)啟動性能及動態(tài)特性；并對負載類型的影響以及三相短路故障進行了分析。結果表明該模型能夠反映實際燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的運行特性，為研究船舶燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制及多機并聯(lián)運行奠定了基礎。

船舶電力系統(tǒng) 燃氣輪機 推進電機 建模仿真

0 引言

全電力推進已成為當今船舶動力系統(tǒng)的發(fā)展方向[1-2]，其中原動機是電力推進系統(tǒng)的核心部件?，F(xiàn)代燃氣輪機作為原動機，以其機動性好、重量輕等優(yōu)點，在船舶全電力推進系統(tǒng)中得到廣泛應用[3-5]。船舶電力系統(tǒng)作為發(fā)電、輸配電、用電緊密結合的獨立電力系統(tǒng)，推進電機容量堪比發(fā)電機容量，動態(tài)負荷比重大，容易出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，研究系統(tǒng)動態(tài)特性時必須考慮原動機的調(diào)節(jié)作用，有必要對船用燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)進行建模仿真研究。

目前，國內(nèi)外對船用燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)建模仿真的研究很少?，F(xiàn)有的船用燃氣輪機建模多基于熱動力學原理[6-7]，側重研究燃氣輪機內(nèi)部化學過程，不適用于船舶電力系統(tǒng)的仿真研究。在微電網(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)中關于燃氣輪機建模仿真研究方面，文獻[8]把微型燃氣輪機及電氣部分當作一個整體，建立了微型燃氣輪—發(fā)電機系統(tǒng)數(shù)學模型，研究了微型燃氣輪機和逆變器的基本控制策略，以及負荷擾動時的動態(tài)特性；文獻[9]考慮基本的恒壓頻比控制和PQ控制，建立了微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的整體模型，采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)逆變器，在動態(tài)負荷條件下對發(fā)電系統(tǒng)進行仿真，分析了微型燃氣輪機與電力電子變流裝置及負荷之間的相互影響。微網(wǎng)燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)主要有孤島運行和并入大電網(wǎng)兩種方式，所帶高速永磁發(fā)電機容量很小，與船舶電力系統(tǒng)的燃氣輪機存在較大差異。

本文以適用于重載燃氣輪機的Rowen模型為基礎[10]，忽略內(nèi)部復雜的化學反應和熱力循環(huán)，僅關注模型所表現(xiàn)的電氣外特性，采用模塊化方法建立了燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)模型及其控制策略。此外，還建立了整流逆變、推進電機及螺旋槳模型。以上述模型為基礎，對船舶電力系統(tǒng)負荷特性、推進電機的各種運行工況進行了仿真研究。

1 船用燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)建模

1.1燃氣輪機控制模型

船用燃氣輪機控制模型如圖1所示，主要包含轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、加速控制等部分。三個控制環(huán)節(jié)分別產(chǎn)生三種燃料參考指令，通過低選模塊，確定輸入到燃燒室的燃料流量。

圖1 船用燃氣輪機控制模型

在船舶電力系統(tǒng)的并網(wǎng)運行中，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是調(diào)節(jié)燃氣輪機輸出功率的最基本方法。無差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)只能用于燃氣輪機孤立發(fā)電時，當用于并網(wǎng)發(fā)電時必須應用有差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。通過調(diào)整轉(zhuǎn)速基準變化，調(diào)整轉(zhuǎn)速基準與實際轉(zhuǎn)速之間的偏差，從而改變輸出的燃料值，最終達到調(diào)整負荷的目的。本文采用有差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)式為

燃氣輪機運行時，需要對排氣溫度進行控制使整個系統(tǒng)獲得最優(yōu)性能，這就需要通過調(diào)節(jié)壓氣機進口導葉安裝角度來實現(xiàn)，IGV控制器輸出其角度信號到其執(zhí)行機構（一個慣性環(huán)節(jié)），執(zhí)行機構完成改變IGV角度的任務。IGV調(diào)節(jié)也是一個比例積分調(diào)節(jié)器（PI），即

加速度控制系統(tǒng)的主要作用是在燃氣輪機突然甩負荷時抑制動態(tài)超速，以減少對熱部件的沖擊。轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過一個微分環(huán)節(jié)，計算實際加速度，然后將此加速度與基準值進行比較，得出的偏差輸入到加速度控制器（也為一個比例積分調(diào)節(jié)器）其傳遞函數(shù)模型如圖2所示。

圖2 加速度控制模型

比例積分的結果產(chǎn)生加速度燃料基準。當實際加速度大于加速度給定值時，積分的結果減少燃料量，限制加速度的升高。

燃氣輪機在沒有負荷的情況下，為了維持正常的運行需要燃料量占了額定燃料量很大的比重，本論文取23%的額定燃料量作為微型燃氣輪機的基荷。

此外，限幅環(huán)節(jié)的最大值限制作為轉(zhuǎn)速、加速度和溫度三者控制輸出的上限；而最小值限制則是為了確保有足夠的燃料流量使燃氣輪機的燃燒系統(tǒng)正常工作。

圖1所示燃料控制系統(tǒng)中，門閥定位器（Loctor）與燃料制動器（Breaker）的傳遞函數(shù)為:

壓縮機—渦輪系統(tǒng)中，渦輪轉(zhuǎn)矩輸出函數(shù)f為

式中：W為燃料流量信號(標幺值)；為發(fā)電機轉(zhuǎn)速(標幺值)。排氣溫度函數(shù)f為

1.2整流逆變模型

整流器作用就是把由燃氣輪機驅(qū)動的發(fā)電機發(fā)出的交流電流轉(zhuǎn)化為直流，這里采用12脈波整流器，其詳細模型在文獻[11]中有闡述。逆變器的作用是接受整流器輸出的直流，并將其逆變成所需頻率的交流電。船舶電力系統(tǒng)作為一個孤立的網(wǎng)絡運行，可以通過控制逆變器來控制負荷的電壓及頻率，而有功和無功輸出則根據(jù)負荷的需要自動的調(diào)整；當該系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)運行時，由于電網(wǎng)的電壓和頻率是一定的，因此采用定功率控制可以控制其與電網(wǎng)的功率交換。本文研究燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)作為一個獨立的電力網(wǎng)絡時的情況，逆變器采用PWM調(diào)制方法，使得逆變器出口的電壓保持在660 V（電動機額定電壓）。整流逆變環(huán)節(jié)模型如圖3所示。

圖3 整流逆變環(huán)節(jié)模型

1.3船用推進電機-螺旋槳負載模型

船舶電力系統(tǒng)區(qū)別于分布式發(fā)電系統(tǒng)的突出特點為螺旋槳負載特性。船舶推進模型中的推進電機、螺旋槳和船體三個部分共同構成船機槳系統(tǒng)[12]。螺旋槳負載特性指它的轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速之間的關系曲線。船舶在靜水中航行（自由航行）時，僅考慮推進裝置的回轉(zhuǎn)部分運動和船的直線運動兩種運動，它們相應的動力學方程為

系泊特性是滿載的船舶在航速等于零時，所得到螺旋槳阻力轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關系

建立螺旋槳負載時認為螺旋槳轉(zhuǎn)速與推進電機相同，若二者有變速機構可取

K表示螺旋槳與推進電動機轉(zhuǎn)速比。

2 仿真結果分析

按照圖3所示的船用燃氣輪機電力系統(tǒng)示意圖，在Simulink平臺下搭建上述模型，對船舶燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的啟動過程、動態(tài)特性、負荷類型的影響以及三相短路故障工況分別做了仿真研究。

圖3 船用燃氣輪機電力系統(tǒng)示意圖

2.1啟動過程

圖4 推進電機帶螺旋槳負載啟動轉(zhuǎn)速波形

2.2動態(tài)特性

研究燃氣輪機發(fā)電機系統(tǒng)在負荷擾動時的動態(tài)特性，采用分級加載，一級卸載的方式，即初始空載狀況下分別增加40%、30%、30%負載（功率因數(shù)0.8），待穩(wěn)定后突卸100%負載，記錄仿真波形如圖7所示。

圖5 直流母線電壓

圖6 推進電機端電壓（工頻）

圖7 燃氣輪機轉(zhuǎn)速變化

由圖7可見，空載時燃氣輪機轉(zhuǎn)速為1.0072；負載增加40%時，轉(zhuǎn)速下降至0.9955；繼續(xù)增加負荷至額定時，轉(zhuǎn)速下降至0.9777，并維持穩(wěn)定，突卸全部負荷時，轉(zhuǎn)速恢復至額定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定時間，整個過程轉(zhuǎn)速雖有波動，始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近。瞬態(tài)調(diào)速率δ，穩(wěn)態(tài)調(diào)速率δ分別計算如下：

參考GJB4000-2000中燃氣輪機性能要求，見表1。δ、δ、、均滿足要求。

2.3 負荷類型的影響

船舶電力系統(tǒng)是一個多負載類型的復雜電力系統(tǒng)，等效RLC負載通常占系統(tǒng)總負荷的30%，推進電機負載約為70%。本文研究負了荷類型對燃氣輪機啟動性能的影響，如圖8所示。

表1 燃氣輪機調(diào)速性能要求

圖8 不同負載燃氣輪機輸出轉(zhuǎn)矩

可見，當全部為等效RLC負載時，燃氣輪機啟動轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn)；當70%為推進電機負載時，啟動轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了瞬時超過額定轉(zhuǎn)矩1.2倍的情況，可見不同負載類型船舶電力系統(tǒng)的啟動過程影響較大。

2.4三相短路故障

三相短路是船舶電力系統(tǒng)可能發(fā)生的最嚴重的故障形式，在發(fā)電機端模擬三相短路故障：1 s時刻發(fā)生故障，1.08 s將其切除，記錄燃氣輪機轉(zhuǎn)速波形如圖9所示。

圖9 燃氣輪機轉(zhuǎn)速

可見，故障發(fā)生時，燃氣輪機轉(zhuǎn)速迅速有跌落趨勢，故障瞬間被切除，轉(zhuǎn)速依然可以恢復穩(wěn)定，且整個過程轉(zhuǎn)速始終保持在額定值附近，說明所建燃氣輪機模型有較好的調(diào)速能力，且為后續(xù)研究多機并聯(lián)穩(wěn)定性問題奠定基礎。

3 結論

本文將燃氣輪機及其電氣部分當作一個整體，建立了燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)完整的數(shù)學模型。仿真結果表明：燃氣輪機按照給定的轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、加速度調(diào)節(jié)三種方式控制燃料流量，從而保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定值，其穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)調(diào)速率、穩(wěn)定時間和轉(zhuǎn)速波動率性能指標均達到GJB要求。根據(jù)推進電機的轉(zhuǎn)速推算出螺旋槳轉(zhuǎn)矩，可有效的模擬船舶的系泊特性，體現(xiàn)了船舶電力系統(tǒng)負荷特點。模擬三相短路證明了調(diào)速系統(tǒng)有良好的調(diào)速能力，可有效穩(wěn)定燃氣輪機轉(zhuǎn)速。整個建模過程為進一步研究船舶燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制以及并網(wǎng)研究奠定了基礎。

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Modeling and Simulation of Gas Turbine Generation System for Shipboard Power System

Luv Wenchao1, Bi Daqiang2, Luv Feipeng1

(1.School of Electrical Engineering & Information，Sichuan University, Chengdu 610065, China；2.State Key Lab of Power System, Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijng 100084, China）

TP391.9 U664.131

A

1003-4862（2014）08-0013-05

2013-03-11

呂文超（1986-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。