基于PSCAD的船用柴油发电机组仿真分析

李玉生 陈瑞

（1. 大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁大连 116005；2. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

1 引言

随着舰船技术的发展，船舶电站的容量越来越大，结构也更加复杂。再加上船舶电力系统自身特点，即：负载大多为异步电动机，部分负载和发电机的功率具有可比性，使系统存在较大的扰动，频率和电压不再保持为恒定，而是一个动态变化的过程；系统电压低且供电线路短，使发电机、供电线路、断路器及汇流排正常和故障电流非常大[1]。这样，船舶电力系统稳定性、安全性的研究变得更加困难。电力系统数字仿真技术为我们提供了一个很好的解决办法。通过对船舶电力系统进行精确建模，利用数字仿真软件强大的数学运行能力对各种工况下电力系统运行情况进行仿真验证，为系统设计提供参考和支撑。本文利用PSCAD仿真软件对船舶电力系统中最重要的组成部分柴油发电机组进行建模仿真[2]，通过对船舶电站同步发电机的励磁控制[3]和柴油机的转速控制来提高船舶电力系统稳定性。

2 柴油发电机组模型建立与分析

柴油发电机组主要由柴油原动机及其调速系统以及同步发电机及其励磁系统组成。系统方框图如图1所示。有调速系统和相复励调压系统两个闭环。

2.1 柴油机及其调速系统的模型

柴油机调速系统的基本作用是调节机组功率输出，维持机组转速在调节精度允许范围内。调速器一般都包括转速测量放大、信号调节与伺服放大和执行等三个主要功能环节，图2是柴油机调节系统模型原理框图。

图1 发电机组模型方框图

图2 柴油机调速系统数学模型原理框图

图2中，调速系统的输入量是转速/功率参考值（ωref和Pref）和转速测量信号ω，输出量是柴油机调节油门开度µ。测量放大环节增益KG是单位功率调节系数，其倒数即为调速系统静态调差系数bp，该系数决定了调速系统稳态转速调节偏差。在不进行载频调节的情况下决定了并联运行的机组之间的有功负荷分配。信号调节环节是为提高调速系统的动态响应性能设置调速控制单元，视具体调速系统而定。伺服放大是将控制信号进行功率放大用于驱动执行机构的环节，通常考虑为一阶惯性环节，TR是对应的时间常数。失灵区用于表示机械测速装置或者油压设备存在的动作死区，它对于调速系统的灵敏性具有重要的影响。另一方面，电气液压型或者微机型调速器失灵区很小，在负荷波动比较大的情况下为了避免调速器频繁动作需要人为地设置失灵区。油动机环节是调速系统的执行组件，由配压阀和伺服马达组成。该环节相当于数学上的积分环节，采用单位反馈构成液压随动系统，执行调速控制输出指令。其中，TSM代表油动机积分时间常数，LC1和LC2分别代表调节器门的开启和关闭速度限制，µmax和µmin表示调节汽门的开度限制[4]。

用于电力系统动态仿真分析的柴油机模型通常要考虑当调节油门开度变化时柴油机输出机械功率存在时滞，即当柴油机调速系统动作增大喷油量，到油料在汽缸内膨胀燃烧做功输出增大了的机械功率这一动态过程存在一个功率输出时滞。因此柴油机模型应该包含这一时滞环节。在仿真中采用时滞环节表示。如图3所示。

图3 柴油机数学模型

仿真中的调速系统模型采用的是由比例－积分调节与串联超前－滞后补偿组合构成的，具体结构如图4所示。

2.2 同步发电机模型

PSCAD/EMTDC模型库提供标准同步电机模型，可以直接与励磁系统、柴油机及调速系统以及主配电网络接口（见图5）。该模型是基于理想同步电机假设条件和Park变换建立[5]，适用于 电力系统工频稳态和瞬时分析。PSCAD/EMTDC同步电机模型还可以模拟同步电机饱和特性。当需要考虑饱和的时候，模型中要求输入饱和特性曲线，也就是发电机空载特性曲线。这实际上是用 D轴方向的磁路饱和来近似地表示电机的饱和。

图4 柴油机调速系统模型

图5 PSCAD/EMTDC模型库中标准同步电机模型

2.3 同步发电机励磁系统模型

由于船舶用电设备多为感性负载，负载电流对交流同步发电机是起去磁作用的，电流大小和功率因数的变化都会引起发电机端电压的变化，所以船舶交流同步发电机必须安装设有自动电压调整装置（AVR）或自励恒压装置（能自激起压，并在负载变化时自动维持电压恒定的装置）来调整发电机的端电压，否则将会影响电气设备的正常工作[4]。由此可见，同步发电机励磁系统设计的好坏直接关系到整个电力系统运行的稳定性。本文中设计的励磁调节系统为自励恒压可控相复励励磁系统，由相复励系统和自动电压调整器等环节组成[6,7]。

相复励系统主要由移相电抗器L1、电容器组C1、电流互感器 TA、相复励变压器 TC1、整流器1V1等组成，其基本工作原理见图6所示。

首先电抗器把发电机输出三相电压进行移相，得到发电机空载励磁电流分量送入相复励变压器，电流互感器得到负载电流的电流复励分量，经相复励变压器合成复励分量再经整流作为发电机励磁机的励磁。

相复励变压器的输出交流电压可以直接表示为机端电压和电流的相量和。因此有：

图6 相复励系统原理图

整流器采用三相全波桥式不可控整流，由于整流器输入侧交流电源通常具有感性电抗，二极管换相过程中存在换相压降，该换相压降与整流器直流侧负载电流成正比关系，等效于在整流输出直流电源和整流负载之间存在一个换相电抗。这样整流器实际输出电压随负载电流的增加会有所下降。因此，模型中需要考虑这种变化的影响。考虑换相压降后的整流器输出电压表示为[8,9]：

图7 相复励变压器及整流器数学模型

相复励励磁虽然具有结构简单，可靠性高的特点，但它的调压精度不高，与发电机总体输出电压品质要求有距离。因此在此基础上再用分流式自动电压调节器使发电机输出电压精度达到规定的要求。自动电压调节器由电压测量、电压给定、PI调节、PWM调制器、驱动器、功率模块组成，其原理框图如图8所示。

图8 自动电压调节器原理框图

励磁系统，特别是交流和直流励磁系统都包含有具有较大时间延迟特性的组件，如果不采取补偿措施，会导致励磁系统的动态响应特性变差[10,11]。除非将励磁系统稳态调节增益调到足够低，否则采用机端电压反馈的励磁控制在发电机空载时难以稳定运行。因此，需要增加励磁稳定器环节用于动态特性补偿。励磁稳定器在物理上的实现可以是串联补偿环节，也可以是反馈补偿环节。最为常用的形式是微分反馈环节，如图9所示。图中，微分反馈环节的参数设计原则是使得在某一频率范围内由于励磁系统组件时间延迟引起的相位移动得到最大的补偿。

综上所述，此次仿真中采用的自励恒压可控相复励静止励磁系统模型框图如图10所示。

3 柴油发电机组仿真模型验证

在 PSCAD中建立的柴油发电机组仿真模型如图11所示。

图9 微分反馈型励磁系统稳定器

验证柴油发电机组励磁系统的性能指标，即验证：1）当三相平衡负载自满载至空载，再自空载至满载范围均匀无急剧变化，发电机组的稳态电压调整率；2）当发电机运行在额定转速和接近额定电压的空载状态下，突加一个功率因子不超过0.4（滞后）、阻抗标么值为2的三相平衡负载，此时发电机的瞬态电压调整率以及电压恢复时间。由于 PSCAD中综合负荷模型是不可控的，所以对均匀投切负荷的模拟采用按40%、30%、20%、10%多次投切负荷的形式进行。

稳态电压调整率验证仿真时间为55 s，0～5 s内发电机空载稳定运行（EMTDC仿真中考虑发电机的起动过程）；5～25 s发电机的三相平衡负载自空载至满载；25～30 s发电机满载稳定运行；30～50 s发电机的三相平衡负载自满载至空载；50～55 s发电机空载运行，之后发电机空载稳定运行。瞬态电压调整率验证仿真时间为10 s，在0～5 s发电机空载运行，5 s时突加一个功率因子为0.4（滞后）、阻抗标么值为2的三相平衡负载。发电机机端电压的仿真波形如图12、13所示。

图10 励磁系统模型框图

图11 柴油发电机组仿真模型

图12 发电机端电压波形（均匀加减负载）

图13 发电机端电压波形（突加负载）

从仿真结果可以计算出稳态电压调整率为0.5%，瞬态电压调整率为6.84%。电压允差带 UN为1±%时，电压恢复时间为0.79 s，可见该励磁系统具有良好的稳态和动态性能。

柴油发电机组调速系统性能即验证机组的稳态调速率以及瞬态调速率。稳态调速率仿真设计与稳态电压调整率仿真类似。瞬态调速率仿真时间为45 s，t＝5 s前发电机空载运行，在t＝5 s时突加50%的负荷，t=15 s时突加负载使发电机的总负荷为80%，t=25 s时再突加20%的负荷使柴油发电机满载运行，t=35 s时从满载突减负荷至空载。发电机转子转速的仿真波形如图14、15所示。

图14 发电机转子转速波形（均匀加减负载）

图15 发电机转子转速波形（突加突卸负载）

从仿真结果可以计算出稳态调速率为 2.58%，瞬态调速率为3.2%，可见该调速系统同样具有良好的稳态和动态性能。

4 结论

船舶电力系统是多台柴油发电机组组成的复杂系统，系统的特性主要取决于柴油发电机组的控制特性，柴油发电机组的控制是船舶电力系统稳定可靠运行的核心。船舶柴油发电机组控制系统的特性将直接影响船舶电力系统的供电质量。通过柴油发电机组的调速及励磁系统的控制可以明显提高电力系统的稳定性。本文针对柴油发电机组各组成部分分别建模分析，并最终通过PSCAD/EMTDC进行仿真，结果表明，本文所设计的柴油发电机组模型具有良好的稳态和动态性能。

[1] 王焕文. 舰船电力系统及自动装置. 北京: 科学出版社, 2004.

[2] 任震, 欧开健, 荆勇, 余军. 基于 PSCAD/EMTDC软件的直流输电系统数字仿真[J]. 电力自动化设备.2002, 22(9): 11-12.

[3] IEEE Power Engineering Society. IEEE recommended practice for excitation system models for power system stability studies. IEEE Std 421. 5, 1992.

[4] P. Kundur, D. C. Lee, J. P. Bayne. Impact of turbine generator overspeed controls on unit performance under system disturbance conditions. IEEE Trans. ,Vol. PAS-104, pp. 1262～1267, June 1985.

[5] 许实章. 电机学. 北京: 机械工业出版社, 1993.

[6] 励磁系统数学模型专家组. 计算电力系统稳定用励磁系统数学模型[J]. 中国电机工程学报, 199l, 19(5):65～71.

[7] 刘增煌, 吴中习, 周泽昕. 电力系统稳定计算用励磁系统数学模型库[J]. 电网技术, 1994，18(5)：6～11.

[8] Choi S S, Jia X M. Coordinated design of underexcitation limiters and power system stabilizers [J].IEEE Trans on Power Systems, 2000, 15(3): 937-944.

[9] Cheng Chingsing, Hsu Yuanyin. Excitation control of a synchronous generator using a lookup table [J].IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems,1991, 27(2):247-254.

[10] Tzouaghi, M Maguiraga, M Poloijadoff. Brushless exciter dynamic model including saturation and multiple commutation overlapping effects [A].ICEMS 2001[C].2001, 444-447.

[11] M. S. Baldwin, D. P. Mcfadden. Power systems performance as affected by turbine-generator controls response during frequency disturbance. IEEE Trans.,Vol. PAS-100, pp. 2846～2894, May 1981.