船舶发电机组特殊工况运行特性仿真研究

杜承东

(沪东中华造船(集团)有限公司 军事代表室， 上海 200129)

船舶发电机组特殊工况运行特性仿真研究

杜承东

(沪东中华造船(集团)有限公司 军事代表室， 上海 200129)

首先根据船舶电站柴油发电机组的原理建立其Simulink数字仿真模型，通过调整励磁调压器、调速器的参数，使仿真模型突加、突卸外特性与某型机组的实测数据一致。基于仿真模型设计了两种特殊的突加、突卸运行工况，验证了该型机组在特殊工况下的响应情况，结果有助于指导实船的运行模式设计。

船舶电站 柴油发电机组 数字仿真

1 引言

船舶电站与陆地电网相比具有容量小、运行工况复杂、负荷变化剧烈等特点，因此在船舶电站的设计过程中，利用数字仿真对其进行分析研究具有重要的理论价值和参考意义[1～8]。随着数字仿真技术的不断普及，船舶电站数字仿真技术的应用越来越广泛，但传统的仿真模型在建模方法、建模对象上的缺陷也越来越明显。部分研究仅根据理论模型结合经验参数建立数字仿真模型，因此无法建立仿真模型与实际系统在暂态调压、调速特性上的精确对应关系，影响了仿真结果的精度。这些文献的共同特点是均未利用机组实测数据对模型进行拟合[2～6]，因此对于实际工况的指导很有限。

基于船舶电站仿真模型在上述方面存在的缺点，本文深入研究船舶电站各组成设备的工作原理，试图建立更加符合实际的柴油发电机组模型。利用经典的Woodward调速模型及IEEE AC type1型励磁控制器模型，采用MATLAB仿真软件作为建模的仿真平台，建立船舶电站的整体仿真环境。利用同型机组的实测数据对励磁调压器、调速器的参数进行了调整，使仿真模型的三级加载外特性与实物试验一致以完成精确建模。

本文首先介绍了原动机及其调速器、发电机及其励磁控制器的工作原理，并阐述了调速器工作过程中的性能指标。基于MATLAB建模并调整仿真模型控制器参数后，对模型的仿真误差进行了分析。基于调整后的发电机组模型，设计了两种特殊的突加、突卸运行工况，验证了改型机组在特殊工况下的响应情况，有助于指导实船的运行模式设计。

2 柴油发电机组模型

船舶电力系统建模分析以实船电力系统为研究对象，根据船舶电力系统的结构工作原理对系统中各个元件建立数学模型。其中，船舶柴油发电机组是电站运行的重要组成部分[1]。柴油发电机组由柴油原动机、调速器、发电机和相复励调压装置构成，控制系统结构框图如图1所示。

图1 发电机组控制系统结构框图

2.1 柴油原动机及调速控制器模型

根据柴油机的特性，柴油机模型需要考虑的核心因素是柴油机的调节迟滞效应。柴油机调速系统通过调节油门开度大小来增大喷油量，油料在汽缸内膨胀燃烧做功，最终导致输出的机械功率增大，整个动态过程存在一个功率输出时滞。因此柴油机模型应包含这一时滞环节，其传递函数如下式所示[9]。

式中：K为放大系数；T1为柴油机缸内工作纯延迟时间；T2为柴油机组运动部件转动惯性时间常数。

柴油机调速系统主要由转速反馈输入、控制调节、执行机构输出和外围控制开关等环节组成。本文的柴油发电机组分析对象采用Woodward电子调速，通过采集发电机机端电压、电流来计算输出功率。结合机组转速来判断机组的当前状态，并在预先设定好的PID调节参数及下垂特性干预下，向执行机构输出控制信号以改变柴油机的转速和输出功率，其原理框图如图2所示。

图2 柴油机调速系统数学模型

系统的特性主要取决于柴油发电机组的控制特性，将直接影响船舶电力系统的电能品质及系统稳定性[6]。其中调速控制器的PID参数是决定调速器调速性能的主要因素。当柴油机处于稳态工况时，只要选择合适的下垂特性参数，调速器就能满足柴油机的转速要求并与实船数据一致。而其动态特性主要通过精细调整PID参数使实际模型的响应与实物较为接近。

设控制器输出为m(t)，偏差信号为e(t)，则控制器的传递函数为

其核心控制规律[7]为：加大微分系数可以加快系统响应速度，并增加阻尼加以改善。当控制作用过强造成影响时，可减小比例增益和积分系数，以减弱控制作用来进行调整。当仿真模型的动态响应与机组转速实测数据一致时进行取值，以达到精确建模的目的。

在实际工程应用中，为解决常规PID控制器积

分饱和的问题，可以采用积分分离算法，其离散后实际采用的控制规律如下式所示。

2.2 发电机及调压控制器模型

同步发电机采用Simulink自带的3阶同步发电机模型，这里不再赘述。励磁系统的模型误差主要体现在交流励磁机环节，严格来说励磁机模型应该是由同步发电机模型和不可控三相整流桥组成，但该复杂模型会严重影响系统计算速度。本文采用IEEEAC-Type1型励磁系统模型中的相关部分作为本环节的数学模型，如图3所示。

图3 发电机励磁系统数学模型

其中具体参数意义可参考文献[7]。该模型忽略了暂态凸极效应和转速变化的影响，但考虑了励磁机饱和、发电机励磁电流对励磁机的去磁作用，以及整流器的换向压降造成的发电机励磁电压下降。发电机的电压外特性参数主要受励磁调压控制器的PID参数影响，其控制规律与前述调速器类似。

2.3 模型误差分析

基于前述的柴油发电机组数学模型，并结合机组的型号、额定电压、额定功率、机组转动惯量等参数建立了发电机组模型。通过调压、调速控制器的精确建模、参数调整等过程建立了发电机组精确模型，本节对仿真模型的误差进行了分析，了解了柴油发电机组动态性能的指标主要有负载突加突卸时的瞬态调速率和稳定时间等。数字模型仿真结果、某型机组的实测数据及误差分析的结果汇总如表1、表2所示。

表1 调速特性误差分析

表2 调压系统误差分析

根据文献[13]所述的信度计算方法评估仿真准确度。通过误差分析的计算数据可知，所搭建的转速控制器及励磁调压系统仿真模型达到了很高的精度，为后续的仿真研究建立了基础。

3 仿真算例

3.1 大容量负载突加

首先考虑一个大容量负荷突加情况。造成这种工况的原因可能是误操作，也可能是某负荷的额定容量与机组容量相近。设机组本来运行于20%额定负载且功率因数为cosφ=0.8，机组突加至100%满载。

在该工况下的动态过程中，最低转速达到1 440 r/min，计算可知瞬时调速率为6.3%，最低电压为0.87倍额定电压，计算可知瞬时调压率为15%，均符合CCS标准(见表3)，具体仿真结果如图4所示。

表3 CCS规定的电压、频率波动范围

图4 突加工况仿真结果(20%～100%，cosφ=0.8)

3.2 大容量负载连续投退

其次考虑一个连续突卸突加工况。设机组本来运行于80%额定负载且功率因数为cosφ=0.8的情况，机组突卸至空载后，在1 s内再次突加该负载的情况。造成这种工况的原因可能是误操作，也可能是系统发生故障后由继电保护装置切除故障后恢复供电，是具有脉冲性质的大容量负载连续投退运行。

机组在5 s前平稳运行于80% cosφ=0.8的额定负载，在5 s时突卸至空载，在6 s时又突加80% cosφ=0.8的额定负载。主要观察该过程中的机组转速，自5 s～6 s为突卸大容量负荷的动态过程，6 s之后为突加大容量负荷的动态过程。由于两者间隔时间很短，因此存在突卸负荷使机组转速升高尚未进入稳态就再次突加的情况，突卸、突加两者的动态过程应一起考虑。在此过程中，最大转速达到1 610 r/min，最低转速为1 450 r/min，计算可知瞬时调速率为10.6%，超出了CCS规定10%的限值。最大电压达到1.15倍额定值，最低电压为0.9倍额定值，计算可知瞬时调压率为25%，超出了CCS规定20%的限值，具体仿真结果如图5所示。

由该算例可知，即使机组在三级加载试验中符合试验大纲的要求，但在这种特殊工况下的动态行为仍然不能满足CCS标准的要求。在机组实际运行过程中应当避免这种情况的发生。

图5 突卸突加工况仿真结果(80%～0%～80%，cosφ=0.8)

4 结论

船舶柴油发电机组的建模与运行仿真研究有助于分析和解决船舶电站特殊运行工况的问题。本文结合船舶电站发电机组的基本原理，将该仿真模型的突加、突卸外特性与某型机组的实测数据进行了比对，通过调整励磁调压器、调速器参数，使仿真模型的外特性与实物试验一致。基于调整后的发电机组模型，设计了两种特殊的突加、突卸运行工况，验证了改型机组在特殊工况下的响应情况。仿真结果有助于指导实船的运行模式设计，并在后续研究特殊工况对机组轴系冲击、寿命影响时具有一定的参考意义。

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[14] 施伟锋,许晓彦. 船舶电力系统建模与控制[M]. 北京:电子工业出版社, 2012.

Simulation Study on Operating Characteristic of Marine Generator in Special Working Condition

DU Cheng-dong

(Navy Military Representative Office at Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

This article builds a Simulink simulation model based on the principle of marine diesel generator, makes the model's load/unload characteristic in accordance with testing datas through adjusting the parameters of AVR and speed governor. Based on the simulation model, two special load/unload operation conditions are designed, which confirms the responding situation in special condition. The result provides a reference for operation pattern design of actual ship.

Marine power station Diesel generator Digital simulation

杜承东(1977-)，男，工程师。

U662

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