船舶柴油发电机转速控制系统设计

雷道仲

(1.湖南省电子学会，湖南 长沙 410200；2.湖南信息职业技术学院，湖南 长沙 410200)

0 引 言

在石油、天然气等可再生资源日益减少的今天，电力驱动船等新能源船舶的开发成为一种行业的趋势，电力驱动船舶的电力通常来自于柴油发电机，柴油发电机将化石燃料的内能转换为电能，进而驱动电动机和螺旋桨，使船舶产生前进的动力。进入21世纪，电力驱动船舶的吨位不断提高，由此对电力驱动系统的负载要求也在日益增加，主要体现在两方面，一是对于电力驱动系统的功率要求更高，常规的小兆瓦级别柴油发电机的功率已经难以满足；二是对于柴油发电机系统的稳定性有更高要求，这就要求柴油发电机具有良好的转速控制技术。

本文建立船舶柴油发电机的函数模型，介绍柴油发电机调速系统工作原理，基于PID控制理论和液压伺服控制技术，优化了船舶柴油发电机的转速控制系统。

1 三相永磁柴油发电机的数学模型

大多数电力驱动船舶的电力来源是三相永磁柴油发电机，其模型如图1所示。

图1 三相永磁柴油发电机模型图Fig.1 Mathematical model diagram of three-phase permanent magnet diesel power generation

三相永磁柴油发电机的坐标系由静止坐标系A-BC及旋转坐标系a-b-c组成，坐标系的转换是发电机控制策略优化的关键环节，建立三相永磁柴油发电机坐标变换方程如下式：

建立三相永磁柴油发电机绕组电压表达式为：

其矩阵形式为：

其中：u1−u6为三相永磁柴油发电机定子绕组电压值；ia−if为三相永磁柴油发电机转子绕组电流；R1−R6为电阻；ψA-ψF为发电机的磁势[1]。

三相永磁柴油发电机的机械损耗会影响发电机的整体效率，考虑机械损耗的船舶柴油发电机运动模型可用下式表示：

式中：Tl为发电机输出转矩；np为发电机的转速；J，D，K分别为刚度系数，弹性系数和阻尼系数；w为发电机的角速度；θR为旋转角度。

2 船舶柴油发电机转速控制系统的开发设计

2.1 柴油发电机的液压调速器原理与建模

本文研究的船舶柴油发电机以中速四冲程柴油发电机为主，作为电力驱动船舶的能量来源，发电机要在负载变化时保持转速恒定，进而确保输出的电压和频率恒定。当电力驱动船舶的用电负载明显增加时，柴油发电机的转矩会低于所需转矩，此时如果不进行发电机的调速控制，增加柴油机供油量，柴油发电机就会因为转矩不平衡出现停车。与此同时，当船舶发电机的负载出现明显的减小时，如果不及时减小循环供油量，控制发电机的转矩，机组就会出现转速的异常升高。

由于柴油发电机本身不具有调速功能，因此要想实现柴油发电机的稳定控制，必须要增加调速器，设计对应的速度控制系统。

调速器可以分为电子式、液压式、机械式调速器等多种，针对船舶柴油发电机较为恶劣的工作环境，本文选择液压式调速器进行柴油发电机的速度控制。

图2为液压式柴油发电机的调速器原理图。

图2 液压式柴油发电机的调速器原理图Fig.2 Schematic diagram of governor of hydraulic diesel generator

基于液压调速器的控制理论，对调速器的液压执行机构进行数学建模，包括流量、压力等。

1）控制阀

在液压调速执行机构中，控制阀的负荷流量QL与压力pL和位移xr互相关联，即

该非线性关系可以用泰勒公式进行展开[2]，拟合出较为准确的函数，即

忽略阶段分量，可简化为：

2）流量增益

3）压力增益

4）流量-压力系数

柴油发电机调速器的液压执行机构原理图如图3所示。

图3 柴油发电机调速器的液压执行机构原理图Fig.3 Schematic diagram of hydraulic actuator of diesel generator governor

2.2 基于PID控制器的船舶柴油发电机转速控制系统设计

为了提高船舶柴油发电机转速控制系统的性能，引入PID控制算法[3]。这种算法作为一种负反馈算法，在电动机、发电机控制领域有广泛应用。

PID控制算法的模型可以写为：

其中：e(t)为输入与输出的偏差量；KP为比例系数；Ti为算法的积分系数；Tb为算法的微分系数。

PID算法的传递函数为：

图4为PID控制算法的原理图。

图4 PID控制算法的原理图Fig.4 Schematic diagram of the PID control algorithm

PID算法的核心为3个环节。

1）比例环节

比例环节表征了系统输入信号与输出信号的偏差比例关系，决定了控制系统的响应速度，比例系数越大，系统的响应速度越快。但同时，比例系数过大会影响系统的稳定性，造成系统震荡。

2）积分环节

积分环节对于降低系统的静态误差有主要的作用，积分系数越大，纠偏能力就越强。

3）微分环节

微分环节有利于解决控制系统的动态变化，具有一定的预测性。

采用数字PID控制器进行柴油发电机的转速控制，数字PID的时域模型为：

式中：T为采样周期；k为采样序列号，k=0，1,2…；经z变换之后，得

PID数字调节器的z传递函数为：

可以看出，PID调节器的控制品质的优劣取决于Kp，Ti，Td三个参数的选择。

2.3 基于PID控制器的转速控制系统仿真

基于Simulink软件的模块化程序[4]，对船舶柴油发电机的调速控制进行仿真，试验采用的发电机模块是软件平台Simpower模块库[5]中的三相永磁同步发电机模块。

搭建的柴油发电机速度控制simulink仿真程序如图5所示。

图5 柴油发电机速度控制Simulink仿真程序Fig.5 Diesel generator speed control Simulink simulator

船舶柴油发电机关键参数包括定子和转子电阻、电感、互感等[4]，表示如下：

表1 柴油发电机参数表Tab.1 Diesel generator parameter table

图6为船舶柴油发电机转速-功率仿真曲线，可以发现在转速变化时，船舶柴油发电机的输出功率保持稳定，这也保证了船舶电力供应的高度稳定性[6]。

图6 船舶柴油发电机转速-功率仿真曲线Fig.6 Speed-power simulation curve of marine diesel generator

3 结 语

为了保障柴油发电机的负载-转速稳定性，本文结合柴油发电机的数学模型，开发了基于PID控制算法的船舶柴油发电机转速控制系统，并利用simulink平台进行了转速控制系统的仿真。结果表明，转速变化时，输出功率保持稳定。