船舶发电机组的建模与仿真研究

王 征，唐文俊



船舶发电机组的建模与仿真研究

王 征，唐文俊

(海军驻广州某军代表室，广州 510382)

根据柴油机组调速系统和励磁系统的机理，在此基础上建立建立柴油发电机组的模型，根据模型建立了柴油发电机组的仿真平台，仿真验证了所提模型的有效性。

柴油机组 调速系统 励磁系统 仿真

0 前言

船舶电力系统一般使用柴油机作为原动机拖动同步发电机为全船提供电力供应[1-3]。船舶电网要保证频率和电压的稳定，才能使用电设备正常工作，而电网的频率取决于原动机的转速，电压取决于发电机的励磁控制系统[4,5]。

本文以柴油发电机组作为研究对象，从柴油机及其调速系统、发电机及其励磁系统的工作原理出发，建立柴油发电机组的模型并进行仿真分析。

1 柴油机调速系统

柴油发电机组通过调速器的调节来维持柴油机的转速稳定，从而维持机组频率的稳定。柴油机转速控制系统如图1所示。

下面给出了控制系统各个环节的介绍：

1）转速反馈环节

该单元主要通过转速传感器采样转速，并通过频率/电压转换器将转速信号变换成电压信号U，其传递函数为：

2）转速控制环节

该环节是一个PID控制器，其数学模型为：

式中，U为给定转速与采样转速之间的差值，为柴油机的油门位置，K、T、T分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数。

3）执行机构环节

该环节可以简化后的传递函数为:

4）柴油机环节

机组的运动方程为：

将柴油机模型简化后，其传递函数为：

2 发电机励磁系统

采用相复励励磁系统的船舶同步发电机其结构框图如图2所示。

下面给出每个环节的数学模型：

1）相复励装置

该装置模型如下所示：

式中，U为装置的输出电压，U、U分别为发电机d轴和q轴的电枢端电压，为常数取，x为移向电抗。

2）电压差模型

电压差以及输出信号U可以表示为：

式中，参考电压和为励磁电压的初始值分别用UU表示。

3）补偿器模型

补偿器的模型可以表示为：

输出电压表示为UTT分别为超前和滞后补偿时间常数。

4）放大器模型

放大器输出电压可以表示为：

K和T分别为输出电压和时间常数。

5）比例饱和环节

其模型如下：

(11)

(12)

式中E为励磁调压装置的输出电压，E为输出电压，E为该环节的限幅值。

6）交流励磁机模型

该环节可以用励磁机时间常数Te的表达式表示为：

7）反馈稳定环节

其模型为：

KT分别为该环节的增益和时间常数。

3 仿真验证

搭建仿真平台对船舶发电机组的建模进行仿真验证。发电机组的参数完全相同：容量为4000 kW，功率因数0.8，频率50 Hz，为0.128，为0.293，为1.24，为28.2ms，为574 ms，为55 ms。

图3给出了发电机组在空载时带50%负荷的柴油机功率、发电机输出电压和转速曲线，系统稳定性良好，输出电压及频率稳定。图4给出了发电机组带50%负荷(负载为阻感性负载，有功功率与无功功率的比值为4:3时有功功率与无功功率的波形。

图5给出了发电机组在带40%负荷时突加负载的柴油机功率、发电机输出电压和转速曲线，在5s时突加30%负载，机组功率增加，输出电压下降，但是很快恢复到额定值，转速下降，经过调节后在2.4s恢复稳定，转速最大的波动变化率为1.6%。

图6给出了发电机组在带100%负荷时突卸负载的柴油机功率、发电机输出电压和转速曲线，在5 s时突卸30%负载，机组功率减小，输出电压上升并迅速恢复到稳定，转速下降，经过调节后在2s恢复稳定，转速最大的波动变化率为0.5%，可以看出系统的动态性能较好。

4 小结

本文分析了柴油机及其调速系统的工作原理，研究了发电机及其励磁系统的机理，在此基础上建立柴油发电机组的模型，搭建仿真平台对所构建的模型并进行仿真，从仿真可分析得出，建立的摸柴油机组模型具有良好的动、静态性能，能够真实的反映柴油机组的特性。

[1] 黄曼磊，唐嘉亨，郭镇明. 柴油机调速系统的数学模型[J].哈尔滨工程大学学报，1997,6:20-25.

[2] 庄一凡. 船舶发电柴油机电子调速系统建模与仿真[J].西安文理学院学报，2010,31(1):99-101.

[3] 黄曼磊,李殿璞. 船舶电站同步发电机调压系统的数学模型[J].哈尔滨工程大学学报,2004,25(3):305-308.

[4] 孙建忠，白凤仙. 无刷励磁同步发电机系统仿真研究[J]. 电机技术, 2010,5:5-7.

[5] 李豪举，陈红卫.电力推进船舶供电单元建模与仿真[J]. 船电技术, 2009,29(11):18-22.

Research on Modeling and Simulation of Marine Diesel Generator Set

Wang Zheng, Tang Wenjun

(Naval Representatives Office in Guangzhou, Guangzhou 510382, China)

TM611

A

1003-4862（2017）03-0045-03

2016-09-15