民航空管台站柴油发电机组性能仿真模型研究与建立

贡正

摘 要：文章基于民航空管台站应急电源保障的实际情况，并针对柴油发电机组的维护培训工作所存在的不足，旨在开发一套基于MATLAB平台的柴油发电机组运行及性能仿真的应用软件，利用MATLAB及SIMULINK的强大功能建立一套柴油发电机组的简化模型，从而初步实现一套柴油发电机组仿真模拟系统，将其应用在空管动力专业的系统培训中。

关键词：柴油发电机组；性能仿真；机组模型；MATLAB；SIMULINK；

中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）20-0077-03

1 概 述

随着民用航空空管设备技术的迅猛发展，柴油发电机组作为民航常用动力应急设备，已成为保障民航空管设备供电稳定的重要环节，日益朝着精密化、高度自动化方向发展，柴油发电机组的工作性能不断改善，一方面，这极大地提高了空管设备电源供电的可靠性，降低了运行成本和风险。但另一方面，一旦空管设备急需应急电源保障而柴油发电机组的某一个环节却发生了故障，这往往会造成空管设备电源中断，从而导致流量管制、航班大面积延误，甚至可能危及人身安全，后果不堪设想。

目前，柴油发电机组由空管动力技术人员负责日常维护以及故障排查等工作，技术人员的业务水平参差不齐，且正处于一个新老交替的阶段，因而技术保障部门对青年员工的培训工作非常重视。对于空管系统的培训工作而言，基于行业的特殊性，一直存在着一个问题，即无法为员工提供足够的实践机会，空管设备一旦投入使用，未经过批复不允许擅自启动或停机，而柴油发电机组一直处于自动运行状态（即当市电中断时，机组将立即启动，经过自动切换开关切换后，为设备输送应急电源），学习研究机组运行性能、掌握机组结构及故障分析的机会十分有限，长此以往将造成空管动力人员技术水平青黄不接的尴尬局面。因此，急需开发一套柴油发电机组的仿真平台以解决当前所面临的问题。

2 MATLAB及其功能

要开发一套关于柴油发电机组的仿真平台，可以通过MATLAB这款仿真软件来实现。MATLAB软件功能强大且易于上手，友好的人机界面及人性化的设置可帮助工程技术人员开发符合设计要求的系统，并实现性能仿真的图形化显示。

2.1 MATLAB平台

MATLAB软件在这个时代给予工程技术人员、科研人员一个应用的平台。在MATLAB搭建好数值计算和图形处理平台之后，在各个领域中的应用也应运而生，其强大的扩展功能能够为电力工程领域提供分析和设计的新平台，现今MATLAB软件已经推出了电力系统仿真工具箱、控制系统工具箱、信号处理工具箱等，在电力系统方面的应用已经非常成熟。

以前的电力系统数字仿真技术往往局限了研究人员自己进行建模和仿真，而在MATLAB涉及电力系统仿真方面以后，凭借其自身的技术以及电力领域的专家，开发了上述这些功能强大的工具箱，提供了齐全的分析手段和数据处理方式。此外，最新版本的MATLAB已经为研究人员提供了友好的界面，这使得技术人员和研究人员不仅能获得各类工程问题的解决方案，还能更轻松简单地使用这些技术。[1]

2.2 SIMULINK及其工具

SIMULINK是基于MATLAB的图形化仿真设计环境。确切地说，它是MATLAB提供的对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的。它使用图形化的系统模块对动态系统进行描述，并在此基础上采用MATLAB计算引擎对动态系统在时域内进行求解。

此外，SIMULINK提供了友好的图形用户界面（GUI），模型由模块组成的框图来表示，用户通过简单的鼠标操作就能够完成建模。[1]

本文所设计的柴油发电机组性能仿真模型就是基于SIMULINK的工具箱。

3 柴油发电机组的建模

柴油发电机组由柴油机及其调速系统、发电机及其励磁系统组成。柴油机为发电机提供原动力，而调速系统通过检测实际转速从而实现调节柴油机输出动力的大小，构成了转速的闭环系统，在一定负载范围内保证发电机的转速稳定以及电压的频率稳定。 发电机的励磁系统则通过检测发电机端电压和负载电流调节励磁电流大小，从而构成了电压的闭环控制，调节其输出无功功率，保证发电机的输出电能的质量。

3.1 柴油机及调速系统的建模

柴油机是柴油发电机组的动力部分，它是在恒定的转速下工作的，对于柴油机的调速器应具备良好的稳定性，且转速具有可调性。由于柴油机带动发电机工作时，发电机的输出电流随着负载的变化而变化，其功率和转速的变化关系如式（1）所示：

T=9 550 P/n（1）

式中：T-转矩（N）；P-功率（kW）；n-转速（r/min）。

为了使柴油机输出的转速在负载变化的情况下稳定，本文调速系统采用电子调速器以保证柴油机的稳定运行。电子调速器一般由控制器、执行器驱动机构、执行器和转速传感器四个部分组成。调速系统的功能实现框图，如图2所示[2]。

通过给定转速与负载变化下的实际转速信号输入给PID控制器，从而实现调节柴油机转速，达到转速稳定的目的。

根据达朗贝尔原理，柴油机组的运动方程式如式（2）所示：

J+Ktwg=Md-Mc（2）

式中：J—机组转动惯量（柴油发电机组转动惯量总和）；wg—柴油机曲轴角速度；K—阻尼系数；p—发电机磁极对数；Md—柴油机输出转矩；Mc—柴油机阻力矩。

柴油机输出转矩Md在运行中，主要是柴油机转速n和电子调速器输出轴位移L的函数，即Md=f（n，L），而发电机阻力矩Mc是柴油机转速n和发电机负载功率P2的函数，即Mc=f（n，P2）。[2]柴油机的数学模型就是在上述函数的基础上，代入发电机的功角特性方程，如式（3）所示；

式中：Pe—发电机输出电磁功率；m—相数；E0—发电机空载相数；U1—端电压；Xd—发电机同步电抗；θ—功率角；Xq—发电机q轴电抗。

经过代入整理，并对最终式子进行拉普拉斯变换后，可得柴油机的传递函数如式（4）所示：

式中：a=（Mdmax柴油机的最大扭矩值，Lmax电子调速器输出轴的最大行程值）；Ka=（Ka为一阶调节系数）；Kb=-Kn（Kb为常数调节系数，Kn为每个发电机运行状态段的阻尼系数K的不同取值）

同理可推导出PID控制器的传递函数G1（s）、转速传感器的传递函数G2（s）以及执行器驱动机构传递函数G3（s）如式（5）、式（6）和式（7）所示[2]：

式中：kb—比例系数；Ti—积分时间常数；Td—微分时间常数；

式中：Uf—直流电压输出信号。

式中：L（s）—机械位移信号；K3—该环节的放大倍数；T3—该环节的时间常数。

综上所述，可得柴油机系统仿真模型，如图2所示。

3.2 同步发电机的建模

同步发电机是发电机组的重要元件，建立起合适的同步发电机模型可以提高仿真精度的准确性，并且能够如实反映系统动态过程。MATLAB中已具有多种完备的同步发电机模型，在此基础上建立一个合适准确的同步发电机模型就要取决于实际所用机组的类型以及电磁过渡及机电过渡过程的相关参数。

本文在建立同步发电机模型时，以理想状态为模型基础，即忽略磁滞的影响、忽略磁饱和的影响，且电磁场的分布是理想的。

在MATLAB的SimPowerSystems工具中，同步发电机的模型已考虑了发电机定子、励磁和阻尼绕组的动态行为，因此本文所研究的同步发电机直接采用了MATLAB器件库中的三相同步发电机pu unit模块作为研究对象，该模型忽略了电枢反应电感、励磁和阻尼绕组的漏感，由理想电压源串联RL线路构成，电阻R和电感L值等效为电机的内部阻抗，其数值可在模型内部设置。

4 柴油发电机仿真的设置与实现

根据本文第2节对柴油机与发电机模型的建立与分析，可在MATLAB中组建柴油发电机组的仿真电路图，并根据数学模型得出的结论设置各环节的参数。[4]

以民航华东空管局虹桥机场西区综合业务楼威尔逊P500E柴油发电机组为原型，并设置了400 kW的纯电阻作为负载。将机组的额定参数输入至仿真模型中，链接各系统环节可得系统仿真电路图，如图3所示。

在仿真电路图的各相应元器件内将计算所得的参数输入并保存确定后，仿真电路图便设置完成。点击“Play”键运行，并在“Scope”示波器中显示，便可观察到柴油发电机组仿真运行的电力参数曲线，如图4、图5所示。

5 结 语

通过分析柴油发电机组所仿真出的运行参数曲线，可使新员工直观地观察到柴油发电机组启动的过程以及输出电压、电流等参数变化的结果，并且可通过系统图形使学员学习到机组的工作过程及相关原理。

该仿真系统是个可以不断升级优化的系统，在今后的研究中，可优化柴油机控制模块参数，增加滤波、整流等参数控制环节，使运行输出电源质量更高，更接近实际机组性能参数；可利用GUI功能设计开发面向空管专业的人机界面，使新员工易于操作；此外，对于控制器还可以引入模糊控制、最优控制、自适应控制等环节，进一步实现柴油发电机组的故障智能诊断功能，增强培训内容，丰富该仿真系统。

参考文献：

[1] 王开林，王胜开，陈国顺.MATLAB/Simulink与控制系统仿真（第一版）

[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2] 王增欣，胡明江.用MATLAB对电子调速器系统的仿真[J].中原工学院 报，2004，（12）.

[3] 袁春，张寿珍.柴油发电机组[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[4] 邓名华，范维澄，于善颖.柴油机准维燃烧模型中经验参数确定的研究 [J].内燃机学报，2000，（18）