船舶柴油發(fā)電機組數(shù)學模型的仿真研究

劉啟萌，張小海

● （1.中船重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031；2.海軍駐上海704研究所軍事代表室，上海 200031）

船舶柴油發(fā)電機組數(shù)學模型的仿真研究

劉啟萌1，張小海2

● （1.中船重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031；2.海軍駐上海704研究所軍事代表室，上海 200031）

本文以船舶柴油發(fā)電機組為例，針對三相交流發(fā)電機組做了較為深入的分析并建立起數(shù)學模型。在數(shù)學模型的基礎上，利用MATLAB/Simulink平臺搭建其仿真模型，并利用模擬負載針對所建立的仿真模型進行了仿真驗證，分析了船舶同步發(fā)電機組在負荷變化時的電壓、電流等狀態(tài)參數(shù)的相關特性。

發(fā)電機組；數(shù)學模型；負載特性；仿真驗證

0 引言

船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是保證船舶安全可靠運行的前提條件，這一點尤其體現(xiàn)在當今綜合電力系統(tǒng)船舶蓬勃發(fā)展的時期，而船舶電力系統(tǒng)的電源裝置是其電能供給的源頭。目前，船舶電力系統(tǒng)的電源裝置普遍采用三相同步柴油發(fā)電機組，其系統(tǒng)結(jié)構主要由發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)及原動機構成，如圖1所示。

本文建立三相同步柴油發(fā)電機組的數(shù)學模型，其中包含了發(fā)電機的數(shù)學模型、勵磁系統(tǒng)的數(shù)學模型以及柴油原動機調(diào)速控制模型；利用 MATLAB/Simulink平臺搭建了船舶同步發(fā)電機組的仿真模型，并利用模擬負載針對所建立的仿真模型進行了仿真驗證；分析了船舶同步發(fā)電機組在負荷變化時電壓、電流等的穩(wěn)定性，以及其它相關特性。

圖1 同步柴油發(fā)電機組系統(tǒng)框圖

1 發(fā)電機組數(shù)學模型的建立

根據(jù)同步發(fā)電機組的系統(tǒng)結(jié)構，發(fā)電機組的數(shù)學模型應由發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)及原動機的數(shù)學模型組成。

1.1 發(fā)電機數(shù)學模型

由三相同步發(fā)電機的物理結(jié)構可知，發(fā)電機分為電與磁的部分和機械部分，對應的數(shù)學模型即是電磁回路方程與轉(zhuǎn)子運動方程。本文以雙極理想發(fā)電機為例，建立同步發(fā)電機的數(shù)學模型。

圖2 雙極理想發(fā)電機

雙極理想發(fā)電機的結(jié)構示意圖如圖2所示[1]，圖中詳細描述了abc坐標與dq0坐標下的各個電磁參量，根據(jù)圖中所標注的各參量正方向，利用標幺值形式，通過經(jīng)典派克變換可得到其電壓方程與磁鏈方程：

式中，rf、rD、rQ分別為f、D、Q繞組的電阻值，ω為同步發(fā)電機的電角速度，其滿足ω=dθ/dx。

式中，Lxx是各繞組的自感與互感。

發(fā)電機的電磁力矩方程為：

依據(jù)牛頓定律，發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程為：

轉(zhuǎn)子運動方程表征了發(fā)電機內(nèi)部定、轉(zhuǎn)子之間的運動特性，表達了各物理量的相互關系。式中，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，Pp為極對數(shù)，Tm為發(fā)電機輸入機械力矩。

以上共同構成了發(fā)電機的數(shù)學模型，在仿真分析時，應對其進行簡化，以在模型的精細度與復雜度之間取得平衡，常用的是發(fā)電機的實用五階模型。

1.2 勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型

本文采用交流無刷同步發(fā)電機組，其勵磁方式為無刷勵磁，其結(jié)構框圖如圖3所示。

圖3 無刷勵磁系統(tǒng)的結(jié)構框圖

根據(jù)無刷勵磁系統(tǒng)的機構，可設計得到如圖4所示的傳遞函數(shù)模型[2]。

圖4 無刷勵磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)

圖中，KF、KA為勵磁負反饋、調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，SE為勵磁機飽和系數(shù)，KL為勵磁機的類型常數(shù)，TF、TL、TA分別為勵磁負反饋、勵磁機與調(diào)節(jié)器的時間常數(shù)。

1.3 柴油原動機調(diào)速控制數(shù)學模型

本文涉及的發(fā)電機組原動機為柴油原動機，為發(fā)電機輸出機械轉(zhuǎn)矩，為PID控制策略，如圖5所示。在給定的角速度的基礎上，設計有角速度負反饋，得到角速度差值，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)、傳遞函數(shù)控制與延遲環(huán)節(jié)，得到原動機輸出機械轉(zhuǎn)矩。

圖5 柴油原動機控制模型

2 仿真分析

在MATLAB/Simulink平臺中，依據(jù)以上數(shù)學模型，建立同步發(fā)電機組的仿真模型，其值選用某型號機組的相關數(shù)據(jù)，將電壓、電流等相關數(shù)據(jù)標幺化，得到如圖6所示的仿真模型。

圖6 同步發(fā)電機組仿真模型

仿真模型包含了4個部分，分別為發(fā)電機的仿真模型、勵磁系統(tǒng)的仿真模型、柴油原動機的仿真模型以及作為驗證發(fā)電機組仿真特性的模擬負荷模塊。其中發(fā)電機的仿真模型如圖7所示。

圖7 發(fā)電機仿真模型

為驗證同步發(fā)電機組仿真模型的正確性，利用模擬負荷模塊為發(fā)電機組提供功率消耗，仿真過程中，分別在模擬負荷模塊中為系統(tǒng)創(chuàng)建了突減 50%負荷與突增50%負荷的兩種工況，經(jīng)過仿真計算，可得到如圖8、圖9、圖10所示的發(fā)電機組特性參量的變化曲線。

發(fā)電機組的端電流、電壓隨負荷變化的特性曲線如圖8所示。在10s處為突卸50%負荷的工況，電壓的瞬態(tài)變化值為0.04，最大變化值為0.09；在25s處為突增50%負荷的工況，電壓的瞬態(tài)變化值為 0.05，最大電壓變化值為0.1。

圖8 發(fā)電機負荷、電流、電壓變化曲線

發(fā)電機組輸出有功功率、無功功率隨負荷變化的特性曲線如圖9所示。在10s處為突卸50%負荷的工況，有功功率的穩(wěn)定時間為 2.5s，無功功率的穩(wěn)定時間為2.1s；在25s處為突增50%負荷的工況，有功功率的穩(wěn)定時間為2.7s，無功功率的穩(wěn)定時間為2.8s。

圖9 發(fā)電機負荷、有功/無功功率變化曲線

發(fā)電機組的勵磁電壓與輸出角速度隨負荷變化的特性曲線如圖10所示。在10s處為突卸50%負荷的工況，勵磁電壓的穩(wěn)定時間為 2s，輸出角速度的穩(wěn)定時間為2.8s，變化率為1%；在25s處為突增50%負荷的工況，勵磁電壓的穩(wěn)定時間為2.2s，輸出角速度的穩(wěn)定時間為2.9s，變化率為1%。

圖10 發(fā)電機負荷、勵磁、角速度變化曲線

3 結(jié)論

本文從理論上對某型船的同步發(fā)電機組進行了相關分析，在建立發(fā)電機組的數(shù)學模型的基礎上，進行了仿真分析，并利用模擬負荷模塊對發(fā)電機組進行了動態(tài)分析。仿真結(jié)果表明，本文構建的數(shù)學模型具有較好的動態(tài)性能，可在動態(tài)過程中及時完成調(diào)節(jié)，滿足船用發(fā)電機組的相關要求。

[1]倪以信,陳壽孫,張寶霖.動態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析[M].北京:清華大學出版社,2002:2.

[2]張元瑋.基于VLCC船舶電站的虛擬現(xiàn)實設計與研究[D].大連:大連海事大學,2012:31-32.

Simulation Research of Mathematical Model of Marine Diesel-Engine Generator Set

LIU Qi-meng1,ZHANG Xiao-hai2
(1.No.704 Research Institute,CSIC,Shanghai 200031,China; 2.Navy Representative Office stationed at No.704 Research Institute,Shanghai 200031,China)

Taking marine diesel-engine generator set for example,this article analyzes the three-phase AC generator set and establishes the mathematical model.A simulation model has been built on the basis of mathematical model by using the tools of MATLAB/Simulink.The simulation model is tested by using simulated load.The state parameters such as voltage,current and other related features of the generator set are analyzed when the load changes

generator set; mathematical model; load characteristic; simulation verification

U665.12

A

劉啟萌（1990-），男，助理工程師。研究方向：船舶電站、船舶電力監(jiān)控。