船用燃气轮机发电机组动态性能仿真

邵梦麟，梁前超，闫 东，邬 健

（1. 海军工程大学 舰船动力工程军队重点实验室，湖北 武汉 430033；2. 海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033）

船用燃气轮机发电机组动态性能仿真

邵梦麟1， 2，梁前超1， 2，闫 东1， 2，邬 健1， 2

（1. 海军工程大学 舰船动力工程军队重点实验室，湖北 武汉 430033；2. 海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033）

基于 Matlab/Simulink 平台，根据容积惯性法建立某三轴燃气轮机发电机组非线性动态模型，并定制燃气轮机转速调节及发电机励磁系统控制策略，对动态模型进行阶跃形突增突减负荷变工况仿真研究。结果表明动态模型能够有效地对负荷突变工况进行模拟，为船舶电网供电模块的控制系统设计与优化提供模型基础；在变工况过渡过程中，燃气轮机发电机组动态响应特性满足船舶电网供电品质要求。

燃气轮机发电机组；动态特性；控制系统；供电品质

0 引 言

综合电力系统（Integrated Power System，IPS）将船舶推进系统与电力系统融合为一体，以电力的形式统一调配、分配和管理全船所需能量［1］。IPS 使舰船的布置更灵活，且有效降低舰船的辐射噪音，实现节能环保，提高作战能力［2］。燃气轮机由于其功率大、重量轻、机动性强，成为综合电力系统大功率原动机的理想选择［3］。

燃气轮机发电机机组作为综合电力系统的电源，在电网负荷波动时，其控制系统需实时可靠地调节机组转速和发电机端电压，以保证电网供电品质满足要求，且研究机组动态性能是控制系统优化设计的重要手段［4］。本文基于 Matlab/Simulink 平台建立某三轴燃气轮机发电机组及其控制系统的仿真模型，在电网负荷阶跃形突变时，研究燃气轮机转速控制及发电机励磁控制协调作用下机组的动态响应特性。

1 燃气轮机发电机组建模

1.1 燃气轮机模型

本文考虑燃气轮机各流动连接段间的容积惯性，建立某三轴燃气轮机的非线性动态模型.

根据模块化建模思想，将三轴燃气轮机看成由低压压气机（LC）、高压压气机（HC）、高压涡轮（HT）、低压涡轮（LT）、动力涡轮（PT）等转动部件以及包括燃烧室（B）在内的各个流动连接段串联而成，如图 1 所示。模型中包括低压转子、高压转子及动力涡轮转子，三者均为转动惯性环节，由此建立部件间的机械联系，且其进出口间存在压力梯度，压比（膨胀比）决定了其进出口流量；模型中流动连接段间的 4 个容积模块建立各转动部件间的气动联系。参考文献［5］表明：这种包括容积惯性环节的燃气轮机模块化非线性模型，精度较高，且能较全面地反映系统的动态响应特性，适用于燃气轮机负荷突增、突减等过渡工况的性能仿真。

图 1 三轴燃气轮机发电模块物理模型Fig. 1 Physical model of three-shaft gas turbine power generation modules

1.2 发电机模型

本文选择三相同步发电机作为燃气轮机的机械轴负载。同步发电机主要包转子和定子两大部件，定子上嵌有电枢绕组，与三相电网相接；发电机转子与燃气轮机的动力涡轮同轴相连，通过它在磁场中旋转将燃气轮机输出的机械功率转换成三相交流电功率，送至船舶电网。

同步发电机转子的机械角加速度与作用在转轴上的不平衡转矩存在如下关系［6］：

2 燃气轮机发电机组控制系统

船舶燃气轮机发电机组控制系统包括励磁反馈控制系统和转速反馈控制系统，其结构方框图如图 2 所示。转速反馈系统检测发电机组的转速，直接影响船舶电网频率稳定性和发电机的有功功率输出；励磁控制系统的相复励调压装置同时对发电机的输出电流和端电压进行检测，将直接影响船舶电网的电压稳定性及发电机无功功率输出。系统的主要控制对象是燃气轮机和发电机，干扰信号为电网中的三相电力突变负荷。

图 2 船舶燃气轮机发电机组控制系统方框图Fig. 2 Block diagram of marine gas turbine-generator set control system

2.1 燃气轮机控制策略

作为船舶电网发电模块的原动机，在电网负荷突变较大时，燃气轮机需在不超温、不超速的前提下，其瞬态调速率及稳定时间要满足船舶综合电力系统对原动机的技术要求［7］。为保证原动机达到上述条件，本文考虑在高、低压压气机后设置放气阀，用于在船舶电网负荷大幅度突降时，放出部分空气，降低工质总焓，即为图 1 所示的突变负荷适配装置；对燃料系统设置调速器，用于根据机组转速变化调节燃气轮机供油量，使机组以恒定转速运行，从而达到船舶电网对频率稳定性的要求。

2.2 发电机励磁控制系统

励磁系统的主要作用是向同步发电机的磁场绕组供给直流励磁电流［8］。励磁控制系统按电流信号、电压信号和相位信号并用的相复励方式对同步发电机的端电压进行调节。基于 Matlab/Simulink 软件建立的励磁系统模型如图 3 所示。图中vref输入电压的基准值，为励磁电压初始值；vd，vq分别为发电机d，q轴电压，vstab为接地零电压，istabc为发电机定子三相电流信号，Vf输出励磁电压。电压信号和电流信号分别经低通滤波器产生相复励信号，合成后送至调节器回路进行闭环调节，并最终输出到励磁机。

3 动态仿真及结果分析

图 3 发电机励磁控制系统仿真模型图Fig. 3 Simulation model of generator excitation control system

利用 Matlab/Simulink 平台建立某三轴燃气轮机发电机组非线性动态仿真模型，如图 4 所示。图 5 所示为船用发电燃气轮机动态模型。由于船舶负载中，多是感性负载，故采用三相 RL 负载通过控制主开关的通断模拟实船负载突增突卸等典型工况变化。根据已建立的发电机组动态模型及定制的控制策略，对船用燃气轮机发电机组进行动态仿真研究，实验结果中部分变量采用无量纲形式，以标么值（pu）表示，额定工况下变量值为 1。

3.1 不同工况下突降 20% 负荷

燃机轮机发电机组在第 20 s从 1.0 工况连续 4 次进行突降 20% 负荷，机组主要参数仿真结果如图 6 ～ 图9 所示。

从图 6 ～ 图 9 可知，当燃气轮机发电机组从 1.0 工况阶跃形突降负荷到 0.2 工况过程中，原动机调速装置根据机组转速变化调节燃油量，使燃气轮机输出功率降低，与电网负荷相匹配，并与高、低压压气机放气机构共同作用，使机组快速稳定到 3 000 r/min；由表 1 可知机组转速最大瞬态调速率为 0.8%，转速恢复到 3 000 ± 15 r/min 内的最大稳定时间为 6.43 s；船舶电网频率最大波动值为 0.4 Hz（0.8%）；在励磁控制系统作用下，发电机瞬态电压恢复到电压稳定值 3% 以内的时间约 0.5 s。

图 4 船用燃气轮机发电机组动态仿真模型Fig. 4 Dynamic simulation model of gas turbine -generator set for ships

图 5 发电用燃气轮机动态仿真模型Fig. 5 Dynamic simulation model of gas turbine for power generation

图 6 燃气轮机输出功率变化曲线Fig. 6 Output power-time curve of gas turbine

图 7 发电机组转速变化曲线Fig. 7 Speed-time curve of generator

图 8 船舶电网频率变化曲线Fig. 8 Frequency-time curve of power grid

图 9 发电机端电压变化曲线Fig. 9 Terminal voltage-time curve of generator

3.2 不同工况下突增 20% 负荷

燃机轮机发电机组在第 30 s从 0.2 工况连续 4 次进行突增 20% 负荷，机组主要参数仿真结果如图 10 ～ 图 13所示。

从图 10 ～ 图 13 可知，当燃气轮机发电机组从 0.2工况阶跃形突降负荷到 1.0 工况过程中，原动机调速装置根据机组转速变化调节燃油量，使燃气轮机输出功率增加，与电网负荷相匹配；由表 2 可知机组转速最大瞬态调速率为 1.07%，转速恢复到 3 000 ± 15 r/min内的最大稳定时间为 6.02 s；船舶电网频率最大波动值为 0.55 Hz（1.1%）；发电机端电压在负荷突增瞬间突降，但在励磁控制系统作用下，约 0.003 s快速恢复到稳定值。

表 1 不同工况下突降 20% 负荷主要参数变化情况Tab. 1 The change of the main parameters when the load decreases in a sudden drop by 20% in different cases

根据《GBT-13030-2009 船舶电力推进系统技术条件》对船舶电网供电系统要求：电网负荷波动时，发电机组瞬态调速率应不超过±10%，稳定时间（即转速恢复到 3 000 ± 15 r/min 范围的时间）不大于 5 s；电网电压瞬态变化在 ± 20% 内，不超过 1.5 s；电网频率瞬态变化在 ± 10% 内，恢复时间不超过 5 s。由上述仿真结果可知：燃气轮机发电机组在大于 0.4 工况运行时，电网负荷阶跃形突变 20%，机组转速瞬态调速率不超过 1%，且稳定时间不超过 5 s；频率波动均未超过 ± 10%；电网电压短时下降后稳定时间远小于 1.5s。但当机组在 0.4 工况下进行突变 20% 负荷变化时，机组转速稳定时间超过 5 s，因此燃气轮机发电机组不宜在 0.4 工况下进行大幅度增减负荷。

图 10 燃气轮机输出功率变化曲线Fig. 10 Output power-time curve of gas turbine

图 11 机组转速变化曲线Fig. 11 Speed-time curve of generator set

图 12 船舶电网频率变化曲线Fig. 12 Frequency-time curve of power grid

图 13 发电机端电压变化曲线Fig. 13 Terminal voltage-time curve of generator

表 2 不同工况下突增 20% 负荷主要参数变化情况Tab. 2 The change of the main parameters when the load increases in a sudden jump by 20% in different cases

4 结 语

本文基于 Matlab/Simulink 平台，采用容积惯性法建立了船用某三轴燃气轮机发电机组仿真模型，参照船舶电网指标，定制燃气轮机转速调节及发电机励磁控制策略，对发电机组进行了阶跃形突增突减负荷变工况仿真试验，得到如下结论：

1）所建立的燃气轮机发电机组非线性动态模型能够有效地对负荷突变工况进行模拟，为船舶电网供电模块的控制系统设计与优化提供模型基础；

2）不同工况下，燃气轮机发电机组运行特性不同，且其加、减载性能也有区别，在高于 0.4 工况运行时，发电机组动态稳定性较好；

3）在电网负荷突变工况过渡过程中，在燃气轮机转速控制及发电机励磁控制协调作用下，发电机组动态性能满足船舶电网供电品质要求。

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Simulation on dynamic performance of gas turbine-generator set for ships

SHAO Meng-lin1， 2， LIANG Qian-chao1， 2， YAN Dong1， 2， WU Jian1， 2
（1. Military Key Laboratory for Naval Ship Power Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China；2. College of Power Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China）

According to the volume inertia， the nonlinear dynamic model for one type of three-spool gas turbine -generator set was established based on the Matlab/Simulink platform. The control strategy for speed regulation and excitation system was customized.And then the dynamic performance to the stepwise load were studied.The response curves show that the dynamic model accords well to the sudden load change process，and can be used as basal model for the power module control system design and optimization. The dynamic responses of gas turbine generator set meets the requirement of power supply quality for ship grid during the transient process of variable working condition.

gas turbine-generator set；dynamic performance；control system；quality of power supply

U664.13

A

1672 – 7619（2016）04 – 0071 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.015

2015 – 08 – 12；

2015 – 09 – 06

国家部委基金资助项目（4010303010403）

邵梦麟（1991 – ），女，硕士研究生，研究方向为船综合电力系统建模与控制。