柴油发电机组-脉冲负载系统运行行为仿真

胡亚超，徐 晔，李建科，孙 勇，王春明

(1.解放军理工大学国防工程学院， 南京210007;2.解放军91362部队， 浙江舟山316200)

(3.南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

柴油发电机组由柴油机和同步发电机组成，其中柴油机作为原动机，通过转轴驱动同步发电机的转子以相同步速旋转，从而使固定在转子上的磁极旋转产生与转子相同转速的磁场，同步发电机的定子线圈切割旋转的磁力线，产生旋转电场，对外输出频率和幅值稳定的三相交流电，具有体积小，启动迅速，供电可靠，维护方便的特点，应用领域广泛［1］。

在对柴油发电机组供电系统仿真模型的研究中，文献［2］针对船舶电力系统，考虑到同步发电机的暂态过程，对船舶柴油发电机组的启动、停车和负载突变进行了仿真研究;文献［3］根据船舶电力推进系统中单台发电机容量小于单台电动机负载的背景，通过建立仿真模型对系统运行时的电压、电流特征进行分析;文献［4］针对负载发生大信号变化的情况，考虑了机组可承受的负载范围。在这些系统中负载的功率稳定，当负载功率反复突变时，应用上述模型仿真误差较大，因此，并不适合用来分析含脉冲负载的柴油发电机组-整流器供电系统。

本文以单台柴油发电机组-可控整流器-脉冲负载系统为研究对象，根据系统运行特点建立了引入负载功率调节的柴油发电机组模型，着重针对脉冲负载处于不同工作模式时柴油发电机组输出电压与频率的暂态及稳态指标进行分析。

1 柴油发电机组结构

柴油发电机组按功能可分为柴油机与调速环节、励磁调压环节以及同步发电机三部分，系统的组成框图如图1所示。

图1 柴油发电机组系统组成框图

在图1中，柴油机作为原动机，通过柴油的燃烧做功过程将化学能转化为驱动同步发电机转子旋转的机械动能，同步发电机根据电磁感应原理将机械能转换为电能，向负载供电。其中，调速环节采集柴油机转速和柴油发电机组输出功率偏差向柴油机输出油门指令，控制系统的频率稳定性;励磁调压环节引入同步发电机的定子电压和电流的实时相量值，为同步发电机提供输出励磁电压，控制系统的电压稳定性。

1.1 柴油机与调速器

对于数字式雷达等脉冲负载，由于装备内含有大量电力电子开关器件，当这类负载运行时，即呈现开关切换状的脉冲功率特性，系统中电源处于反复的加载和抛载切换状态，而这种交替出现的过载和空载对柴油发电机组的频率稳定性带来很大的干扰，影响其正常工作［5］。

针对脉冲负载这一特有的功率性质，柴油机与调速环节采用带有功率平抑功能的双输入转速调节，由转速控制器、功率控制器、油位控制器、油门执行器和柴油机等部分组成。在调速环节中，由转速传感器和功率测量环节分别采集柴油机的实际转速输出和功率变化量，反馈到转速控制器和功率控制器，控制器将转速偏差Δω和功率变化Δp经PID控制生成控制量u1和u2输入油位控制器，油门执行器根据油位控制器输出的Δu产生可在一定范围内可调的油门值，柴油机根据油门指令提供相应的机械功率pm。该方法既可以维持柴油发电机组转速，又能够根据脉冲负载的功率变化做出快速响应，减小了柴油发电机组的时间常数，调速器结构如图2所示。

图2 柴油发电机组调速系统原理图

1.2 励磁调压装置

励磁调压环节的功能是为同步发电机提供稳定的励磁电流，即使输出电压有效值稳定，其结构原理框图如图3所示。

图3 同步发电机励磁调压装置的原理图

在图3中，定子电压Vt和电流It经电压补偿与滤波环节后生成信号Vm，功率变化量Δp经电力系统稳定器生成信号Vs，励磁电压经反馈校正生成信号VF，Vref为参考电压信号，经放大后的励磁调节器的输出信号VA与相复励装置的输出信号Vc叠加，生成励磁信号VR，直流励磁机在VR与饱和控制信号VE的共同作用下输出励磁电压Vf。

2 系统仿真分析

针对雷达等脉冲负载的功率特性，以直流开关控制电阻的周期性投切来模拟数字式雷达等脉冲负载的功率特性［6-7］，建立如图4所示的柴油发电机组-整流器-脉冲负载系统的等效电路模型。图4中的电子调速器根据系统情况实时调节柴油机功率，维持机组输出频率稳定，自动电压调节器(AVR)控制柴油发电机组的输出电压稳定，可控整流器调节系统直流侧输出电压维持在设定值500 V，系统采用LC无源滤波，直流开关的通断由外置触发信号控制，可通过设置脉冲信号来调节脉冲负载的工作模式。

图4 柴油发电机组-整流器-脉冲负载等效电路图

在该供电系统中，柴油发电机组-整流器系统作为等效直流电源，经电抗L和电容C滤波后向脉冲负载Rs供电。可通过设置直流开关S的触发脉冲信号控制脉冲负载的不同工作模式，令开关周期Ts表示模拟负载Rs周期性的通断时间，导通占空比D为开关闭合时间占整个开关周期的比率。柴油发电机组中的柴油机功率设定为36 kW，同步发电机的额定功率为30 kW，功率因数0.8，机组的输出频率f为50 Hz，线电压Vt为400 V，可控整流器的输出电压设为500 V。同时，设定脉冲负载的峰值功率PL为20 kW，即Rs为12.5 Ω，开关周期 Ts为 56 ms。

根据系统电路模型和系统的实际参数，搭建基于Matlab/Simulink仿真平台的系统模型，在仿真中通过调节脉冲负载的占空比实现不同的工作模式，并根据仿真结果分析脉冲负载工作模式的变化对柴油发电机组输出电压与频率的影响。仿真采用ode23tb算法，时间为6 s，仿真结果如图5所示。

图5 脉冲负载工作在特定模式时的各电气量波形

在图5a)中可以看出:随着脉冲负载电流周期性的突变，整流器的输出电压也随之变化，当开关S闭合时，脉冲负载消耗功率，此时直流电压迅速下降;当脉冲负载无电流时，在调压器作用下，直流电压可立刻恢复至设定值500 V。

图5b)反映了整个仿真过程中柴油发电机组输出频率的变化趋势:在1 s时刻开关S在触发脉冲作用下控制电阻周期性的投切，此时由于负载迅速增大，柴油机的机械功率小于负载的电磁功率，而油门调节器尚未动作，因此，转速下降以维持机械转矩不变;随后汽缸进油量增加，柴油机输出功率逐渐提高，机械转矩增大从而转速逐渐恢复至额定值。但由于脉冲负载周期性的功率波动，因此，柴油发电机组的输出频率会以Ts为振荡周期在某一固定值附近小幅波动。

图5c)为柴油发电机组输出电流随脉冲负载功率波动的变化曲线。当柴油发电机组-整流器供电系统无功率输出时，电枢电流极小，且为标准正弦波;当脉冲负载消耗功率时，定子电流迅速增大，且畸变严重;当脉冲负载不吸收功率时，定子电流同时减小，定子三相电流的变化周期也是Ts。

图5d)～图5f)为柴油发电机组输出电压在脉冲负载运行的变化曲线，其中:图5d)反映了单相电压实时波形，通过对比横坐标时间可以看出，当定子电流很大时电压波形同样产生一定程度的畸变;当柴油发电机组-整流器系统空载时，定子电压波形光滑。图5e)为各时刻柴油发电机组输出电压的有效值随脉冲负载的变化。图5f)为单个开关周期内电压值波动的局部放大图，通过对比时间轴可以看出，当开关S闭合，即脉冲负载有功率输出时，发电机组输出电压下降;当开关S断开，负载无电流时，发电机的输出电压在调压装置调节下振荡上升，后维持在400 V附近小幅波动。

为进一步分析机组在不同脉冲负载工作模式时柴油发电机组输出电压与频率的稳态情况，对仿真模型中脉冲负载的输出占空比进行调整，并计算柴油发电机组的输出频率f，频率波动Δf，电压有效值Vt，电压总谐波畸变率THDv和负载实际功率pe，各稳态值具体见表1。

表1 脉冲负载工作时系统的稳态指标(负载模式:PL=20 kW，Ts=56 ms，C=4 mF，L=0.125 mH)

通过表1可以看出，随着占空比的增加，负载的实际功率pe也逐渐变大，当占空比较小时，由整流器等线路损耗造成的功率损失较大，表现在实际功率小于理论平均功率Pav(即DPL);从表1还可以看出柴油发电机组的输出频率几乎无变化，而频率波动随占空比的增大略有增大，说明所采用的调速器性能良好;柴油发电机组的输出电压有效值Vt并没有发生显著变化，事实上，当脉冲负载的占空比达到0.7时，柴油发电机组的输出电压畸变非常严重，同时电压有效值波动超过150 V，系统中电能质量显著降低，已不属于系统正常工作范畴，故不再增大占空比。

3 结束语

本文针对柴油发电机组-整流器-脉冲负载系统的特点，基于Matlab/Simulink软件建立了能适应脉冲负载功率特性的系统仿真模型，分析了脉冲负载作用下柴油发电机组的输出电压与频率特性，并通过改变负载工作模式对比研究了脉冲负载对柴油发电机组-整流器供电系统的影响，证明了脉冲平均对柴油发电机组的影响不仅与负载平均功率有关，而且同脉冲负载有效功率的输出占空比有很大关系。

［1］ 中国电器工业协会内燃发电设备分会.中国柴油发电机组行业发展状况及未来趋势［J］.电器工业，2011(6):30-34.ICGE branch of CEEIA.Development status and future trend of the industry of diesel generating sets in china［J］.China Electrical Equipment Industry，2011(6):30-34.

［2］ 李东辉，张均东，何治斌.教学实习船电力系统建模与仿真［J］.上海交通大学学报，2008，42(2):190-193.Li Donghui，Zhang Jundong，He Zhibin.Modeling and simulation of the power system on practice teaching ship［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2008，42(2):190-193.

［3］ 包 艳，施伟锋.船舶电力推进系统运行的仿真［J］.中国航海，2011，34(4):34-38.Bao Yan，Shi Weifeng.Research on operation simulation of ship electric propulsion system［J］.Navigation China，2011，34(4):34-38.

［4］ Cooper A R，Morrow D J，Chambers K D R.Development of a diesel generating set model for large voltage and frequency transients［C］//IEEE Power and Energy Society General Meeting.［S.l.］:IEEE Press，2010:1-7.

［5］ Alessandro L，Luca S，Fabio C.Adaptive direct-tuning control for variable-speed diesel electric generating units［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59(5):2126-2134.

［6］ 刘 超，杨 明，戴广明，等.新一代高压大功率紧凑型发射机设计［J］.现代雷达，2014，36(7):65-67，72.Liu Chao，Yang Ming，Dai Guangming，et al.Integrative design of a novel compact high power klystron transmitter［J］.Modern Radar，2014，36(7):65-67，72.

［7］ 鞠文耀，封心歌，陈善华.用于雷达接收机的开关电源的低纹波设计［J］.现代雷达，2005，27(10):81-82.Ju Wenyao，Feng Xinge，Chen Shanhua.Low ripple design of the switching power supply used in radar receiver［J］.Modern Radar，2005，27(10):81-82.