基于MATLAB的柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)過(guò)程仿真分析

張東福 崔建華

【摘要】建立了柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組起動(dòng)全過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并分別求解出柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)特性和柴油機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。詳細(xì)論述了運(yùn)用Matlab/Simulink建立400V柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)全過(guò)程的仿真模型。仿真結(jié)果分析表明：所建立的模型具有較高的準(zhǔn)確可靠性，能夠真實(shí)反映發(fā)電機(jī)實(shí)際起動(dòng)過(guò)程特性，可以作為柴油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和方案優(yōu)化的計(jì)算機(jī)模擬仿真分析工具，為柴油發(fā)電機(jī)組性能分析和綜合評(píng)估提供了一種新的研究方法。

【關(guān)鍵詞】柴油發(fā)電機(jī)組；起動(dòng)過(guò)程；Matlab/Simulink；仿真

引言

柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程的綜合性能是評(píng)價(jià)柴油發(fā)電機(jī)組質(zhì)量水平的重要技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)準(zhǔn)確可靠的仿真模擬，獲得準(zhǔn)確詳細(xì)的工況性能曲線和數(shù)據(jù)，對(duì)于指導(dǎo)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少試驗(yàn)內(nèi)容及工作量，降低研究開(kāi)發(fā)成本，縮短研發(fā)時(shí)間周期，提高研發(fā)工作效率，確保柴油發(fā)電機(jī)組的類型、結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)均達(dá)到良好匹配特性[1]。采用計(jì)算機(jī)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行全面建模與仿真，是目前研究柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)調(diào)控性能，并對(duì)研發(fā)方案、方法思路和技術(shù)性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和優(yōu)化改進(jìn)的重要手段。結(jié)合現(xiàn)代控制理論建立與柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)過(guò)程實(shí)際運(yùn)行工況相匹配的數(shù)學(xué)模型，并采用Matlab軟件中的Simulink仿真工具箱，構(gòu)造仿真模型對(duì)其起動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行仿真，獲得起動(dòng)全過(guò)程的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等仿真特性曲線和數(shù)據(jù)，并以此指導(dǎo)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，確保其具有良好的起動(dòng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定性能，且滿足技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等多方面評(píng)價(jià)指標(biāo)，推動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)研發(fā)優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的進(jìn)行，課題具有非常重要的理論分析和工程實(shí)踐意義。

1.柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)性能的數(shù)學(xué)模型分析

1.1 柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)過(guò)程特性分析

柴油發(fā)電機(jī)主要起動(dòng)過(guò)程為：首先起動(dòng)裝置開(kāi)始工作，然后由起動(dòng)裝置拖拽靜止的柴油機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，待柴油機(jī)依靠壓縮缸內(nèi)氣體燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量能夠自行進(jìn)行加速并達(dá)到發(fā)電機(jī)組最低穩(wěn)定空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的全過(guò)程[2]。柴油發(fā)電機(jī)是整個(gè)柴油發(fā)電系統(tǒng)的心臟，通過(guò)柴油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行同軸聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)電調(diào)節(jié)的耦合匹配。歸納總結(jié)柴油發(fā)電機(jī)組整個(gè)起動(dòng)過(guò)程，主要包括兩個(gè)重要階段，即：第一階段：將空氣壓縮系統(tǒng)產(chǎn)生的2.5-3.0Mpa壓縮空氣，按照柴油機(jī)的發(fā)火順序在膨脹工作沖程工況下引入到各汽缸，推動(dòng)活塞機(jī)構(gòu)起動(dòng)柴油機(jī)到起動(dòng)轉(zhuǎn)速；第二階段：在起動(dòng)裝置引導(dǎo)下柴油機(jī)達(dá)到起動(dòng)轉(zhuǎn)速后，噴入柴油燃料自行發(fā)火，通過(guò)燃燒能量積累轉(zhuǎn)速不斷上升直到達(dá)到同步發(fā)電機(jī)最低穩(wěn)定同步轉(zhuǎn)速。同時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)的開(kāi)閉環(huán)調(diào)節(jié)不斷建立起穩(wěn)定的機(jī)端電壓，完成柴油發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)發(fā)電。

1.2 柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)特性數(shù)學(xué)函數(shù)

1.2.1 柴油機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

在柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，柴油機(jī)及調(diào)速器是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的心臟，其通過(guò)燃燒燃油為發(fā)電機(jī)供給原動(dòng)力，然后根據(jù)負(fù)荷波動(dòng)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)調(diào)節(jié)噴油量輸出不同轉(zhuǎn)矩，確保整個(gè)燃油燃燒及發(fā)電系統(tǒng)處于不斷調(diào)節(jié)平衡的恒速運(yùn)行工況[3]。由此可知，柴油機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)的仿真數(shù)學(xué)模型的輸入為噴油量，輸1.2.2 同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

在柴油發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立過(guò)程中，由于發(fā)電機(jī)定子通常處于不對(duì)稱運(yùn)行工況，加上凸極同步發(fā)電機(jī)其轉(zhuǎn)子自身結(jié)構(gòu)就存在不對(duì)稱問(wèn)題。因此，采用常規(guī)的abc坐標(biāo)系很難準(zhǔn)確反映發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況狀態(tài)。為了精確模擬仿真柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)全過(guò)程特性，此處采用dq0坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行分析，即采用派克變換將a、b、c相坐標(biāo)的發(fā)電機(jī)三相電磁特征量（電流、電壓和磁通鏈）轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的直軸d、交軸q和零軸0分量。帕克轉(zhuǎn)換及逆變換的公式及步驟詳見(jiàn)文獻(xiàn)[3]2.2節(jié)。本文直接選擇Matlab/Simulink/SimPowerSystem/Machines器件庫(kù)中，基于dq0坐標(biāo)系的發(fā)電機(jī)仿真模型來(lái)建立完整的仿真系統(tǒng)。

1.2.3 柴油機(jī)組起動(dòng)系統(tǒng)模型

參考轉(zhuǎn)速是調(diào)速器參數(shù)設(shè)置過(guò)程中預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速的標(biāo)幺值；實(shí)際轉(zhuǎn)速是由柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的測(cè)速環(huán)節(jié)采集獲得實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的標(biāo)幺值。通過(guò)參考轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速間的偏差信號(hào)計(jì)算，經(jīng)主控制器、放大單元（比例微分加柴油機(jī)和油門系統(tǒng)組成的二階慣性環(huán)節(jié)）、執(zhí)行器，控制柴油機(jī)噴油量的多少，并經(jīng)積分單元和機(jī)組延遲特性的約束計(jì)算后，形成柴油機(jī)的最終機(jī)械功率信號(hào)[5]。發(fā)電機(jī)在機(jī)械功率的驅(qū)動(dòng)作用下帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，利用“電磁感應(yīng)”輸出電動(dòng)勢(shì)。按照?qǐng)D2所示的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為被控對(duì)象來(lái)完成轉(zhuǎn)速→噴油量→轉(zhuǎn)速的閉環(huán)負(fù)反饋，實(shí)現(xiàn)PID的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

2.柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)過(guò)程Matlab仿真分析

結(jié)合圖1和圖2及前面分析，可以將柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)發(fā)電過(guò)程看成是一個(gè)正向驅(qū)動(dòng)和反向負(fù)反饋的閉環(huán)動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)過(guò)程。

2.1 柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)發(fā)電Simulink仿真模塊圖

Matlab軟件是美國(guó)Math Works公司出品的商業(yè)科學(xué)計(jì)算軟件，其強(qiáng)大非線性數(shù)據(jù)逼近功能，可以為算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算等高級(jí)計(jì)算仿真提供計(jì)算語(yǔ)言及交互式環(huán)境，是功能相當(dāng)強(qiáng)大的科學(xué)仿真和計(jì)算分析軟件，主要包括Matlab計(jì)算軟件和Simulink動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境兩大部分。Matlab軟件在計(jì)算分析時(shí)，提供了許多數(shù)據(jù)物理模型矩陣處理手段。Simulink為學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域與工業(yè)實(shí)踐應(yīng)用領(lǐng)域提供了重要的結(jié)構(gòu)模型和仿真運(yùn)行技術(shù)支撐平臺(tái)，通過(guò)模型構(gòu)建、運(yùn)行工況模擬仿真、動(dòng)態(tài)分析等可視化圖形界面操作，用戶無(wú)需編寫詳細(xì)的程序代碼，通過(guò)圖形集成模塊的相互搭建，即可建立非線性、連續(xù)時(shí)間、離散時(shí)間以及多者相結(jié)合的混合模擬仿真模型，能讓用戶以最小的時(shí)間代價(jià)完成對(duì)預(yù)設(shè)系統(tǒng)性能的在線動(dòng)態(tài)模擬仿真。Simulink實(shí)例仿真模塊，便于對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)全過(guò)程功能特性的準(zhǔn)確仿真模擬。此處將選用Simulink提供的集成模塊構(gòu)造仿真模型，按照通過(guò)參考轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部功能單元轉(zhuǎn)換分析形成轉(zhuǎn)速輸出信號(hào)作用在噴油調(diào)節(jié)器中，完成壓縮空氣、柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)等控制單元的聯(lián)合調(diào)節(jié)，確保真實(shí)反映柴油發(fā)電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程及性能。

2.2 仿真結(jié)果分析

轉(zhuǎn)速（標(biāo)幺值）的時(shí)值特性曲線可知，Simulink能夠準(zhǔn)確反映柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)的兩個(gè)明顯階段，即：在起動(dòng)的第一階段（0-0.8s），壓縮空氣系統(tǒng)產(chǎn)生的2.5-3.0Mpa壓縮空氣形成的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)起動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)速上升速率較慢，呈直線上升。當(dāng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷升高達(dá)到最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)中的氣缸內(nèi)壓力和溫度達(dá)到柴油的燃燒點(diǎn)，則起動(dòng)進(jìn)入第二階段（0.8s-2.9s），柴油機(jī)按照發(fā)火順序自動(dòng)發(fā)火燃燒，轉(zhuǎn)速上升率增加，呈拋物線上升，輸出轉(zhuǎn)矩也越來(lái)越大。在調(diào)速器的作用下，輸出機(jī)械功率不斷加大，轉(zhuǎn)速不斷增加，并在2.9s后，達(dá)到同步發(fā)電機(jī)最低穩(wěn)定同步轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定發(fā)電。從圖4的機(jī)械功率（標(biāo)幺值）的時(shí)值特性曲線可知，在柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)的兩個(gè)階段中，第一個(gè)階段（0-0.8s）產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較小，機(jī)械功率也較?。贿M(jìn)入到起動(dòng)第二階段后，柴油發(fā)電機(jī)在調(diào)速器的PID調(diào)控作用下，根據(jù)預(yù)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差信號(hào)，不斷調(diào)節(jié)噴油量。在0.8s-2.4s機(jī)械功率不斷上升，轉(zhuǎn)矩不斷增大，相應(yīng)轉(zhuǎn)速不斷上升；在2.4s2.9s機(jī)械功率不斷下降，轉(zhuǎn)矩不斷降低，相應(yīng)轉(zhuǎn)速上升率不斷降低，直到穩(wěn)定在發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速達(dá)到平衡。

起動(dòng)全程機(jī)端電壓勵(lì)磁升壓的時(shí)值特性，可以清楚看出柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)端在整個(gè)發(fā)電過(guò)程中電壓建立到從小到大的過(guò)程。其中，第一階段，電壓幅值較小，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)端電壓的建立；在第二階段，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷升高，機(jī)端電壓和頻率也從小到大不斷上升，最后穩(wěn)定在50Hz，此時(shí)發(fā)電機(jī)的端部電壓穩(wěn)定在400V，與400V柴油發(fā)電機(jī)組的額定運(yùn)行電壓相匹配。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)全過(guò)程的起動(dòng)及工況特性進(jìn)行了研究，并提出了基于兩個(gè)階段的二階慣性環(huán)節(jié)模型，并通過(guò)Matlab/Simulink對(duì)400V柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)全過(guò)程的轉(zhuǎn)速、機(jī)械功率和機(jī)端電壓進(jìn)行了建模仿真分析，得到以下幾方面結(jié)論：

（1）在0-0.8s起動(dòng)第一階段，轉(zhuǎn)速呈直線上升，轉(zhuǎn)速上升較慢；在0.8-2.9s第二階段，轉(zhuǎn)速呈拋物線上升，轉(zhuǎn)速上升較快；

（2）在0-0.8s起動(dòng)第一階段，柴油發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率上升較慢；在0.8s-2.4s機(jī)械功率不斷上升，轉(zhuǎn)矩不斷增大，相應(yīng)轉(zhuǎn)速不斷上升；在2.4s2.9s機(jī)械功率不斷下降，轉(zhuǎn)矩不斷降低，相應(yīng)轉(zhuǎn)速上升率不斷降低，直到穩(wěn)定在發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速達(dá)到平衡；

（3）機(jī)端電壓及頻率不斷上升，最終穩(wěn)定在50Hz和400V。

基于Matlab/Simulink的400V柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)仿真模型，能夠真實(shí)反映柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)全過(guò)程的工況特性，為柴油發(fā)電機(jī)組整體方案研發(fā)、優(yōu)化改進(jìn)和綜合評(píng)估，提高了高效可靠的分析技術(shù)手段。

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