柴油發(fā)電機(jī)組-脈沖負(fù)載系統(tǒng)運(yùn)行行為仿真

胡亞超，徐 曄，李建科，孫 勇，王春明

(1.解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院， 南京210007;2.解放軍91362部隊(duì)， 浙江舟山316200)

(3.南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

柴油發(fā)電機(jī)組由柴油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)組成，其中柴油機(jī)作為原動機(jī)，通過轉(zhuǎn)軸驅(qū)動同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子以相同步速旋轉(zhuǎn)，從而使固定在轉(zhuǎn)子上的磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子相同轉(zhuǎn)速的磁場，同步發(fā)電機(jī)的定子線圈切割旋轉(zhuǎn)的磁力線，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場，對外輸出頻率和幅值穩(wěn)定的三相交流電，具有體積小，啟動迅速，供電可靠，維護(hù)方便的特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛［1］。

在對柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)仿真模型的研究中，文獻(xiàn)［2］針對船舶電力系統(tǒng)，考慮到同步發(fā)電機(jī)的暫態(tài)過程，對船舶柴油發(fā)電機(jī)組的啟動、停車和負(fù)載突變進(jìn)行了仿真研究;文獻(xiàn)［3］根據(jù)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中單臺發(fā)電機(jī)容量小于單臺電動機(jī)負(fù)載的背景，通過建立仿真模型對系統(tǒng)運(yùn)行時的電壓、電流特征進(jìn)行分析;文獻(xiàn)［4］針對負(fù)載發(fā)生大信號變化的情況，考慮了機(jī)組可承受的負(fù)載范圍。在這些系統(tǒng)中負(fù)載的功率穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載功率反復(fù)突變時，應(yīng)用上述模型仿真誤差較大，因此，并不適合用來分析含脈沖負(fù)載的柴油發(fā)電機(jī)組-整流器供電系統(tǒng)。

本文以單臺柴油發(fā)電機(jī)組-可控整流器-脈沖負(fù)載系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)建立了引入負(fù)載功率調(diào)節(jié)的柴油發(fā)電機(jī)組模型，著重針對脈沖負(fù)載處于不同工作模式時柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓與頻率的暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行分析。

1 柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

柴油發(fā)電機(jī)組按功能可分為柴油機(jī)與調(diào)速環(huán)節(jié)、勵磁調(diào)壓環(huán)節(jié)以及同步發(fā)電機(jī)三部分，系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)組成框圖

在圖1中，柴油機(jī)作為原動機(jī)，通過柴油的燃燒做功過程將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械動能，同步發(fā)電機(jī)根據(jù)電磁感應(yīng)原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，向負(fù)載供電。其中，調(diào)速環(huán)節(jié)采集柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和柴油發(fā)電機(jī)組輸出功率偏差向柴油機(jī)輸出油門指令，控制系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性;勵磁調(diào)壓環(huán)節(jié)引入同步發(fā)電機(jī)的定子電壓和電流的實(shí)時相量值，為同步發(fā)電機(jī)提供輸出勵磁電壓，控制系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

1.1 柴油機(jī)與調(diào)速器

對于數(shù)字式雷達(dá)等脈沖負(fù)載，由于裝備內(nèi)含有大量電力電子開關(guān)器件，當(dāng)這類負(fù)載運(yùn)行時，即呈現(xiàn)開關(guān)切換狀的脈沖功率特性，系統(tǒng)中電源處于反復(fù)的加載和拋載切換狀態(tài)，而這種交替出現(xiàn)的過載和空載對柴油發(fā)電機(jī)組的頻率穩(wěn)定性帶來很大的干擾，影響其正常工作［5］。

針對脈沖負(fù)載這一特有的功率性質(zhì)，柴油機(jī)與調(diào)速環(huán)節(jié)采用帶有功率平抑功能的雙輸入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，由轉(zhuǎn)速控制器、功率控制器、油位控制器、油門執(zhí)行器和柴油機(jī)等部分組成。在調(diào)速環(huán)節(jié)中，由轉(zhuǎn)速傳感器和功率測量環(huán)節(jié)分別采集柴油機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速輸出和功率變化量，反饋到轉(zhuǎn)速控制器和功率控制器，控制器將轉(zhuǎn)速偏差Δω和功率變化Δp經(jīng)PID控制生成控制量u1和u2輸入油位控制器，油門執(zhí)行器根據(jù)油位控制器輸出的Δu產(chǎn)生可在一定范圍內(nèi)可調(diào)的油門值，柴油機(jī)根據(jù)油門指令提供相應(yīng)的機(jī)械功率pm。該方法既可以維持柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速，又能夠根據(jù)脈沖負(fù)載的功率變化做出快速響應(yīng)，減小了柴油發(fā)電機(jī)組的時間常數(shù)，調(diào)速器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)原理圖

1.2 勵磁調(diào)壓裝置

勵磁調(diào)壓環(huán)節(jié)的功能是為同步發(fā)電機(jī)提供穩(wěn)定的勵磁電流，即使輸出電壓有效值穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖3所示。

圖3 同步發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)壓裝置的原理圖

在圖3中，定子電壓Vt和電流It經(jīng)電壓補(bǔ)償與濾波環(huán)節(jié)后生成信號Vm，功率變化量Δp經(jīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器生成信號Vs，勵磁電壓經(jīng)反饋校正生成信號VF，Vref為參考電壓信號，經(jīng)放大后的勵磁調(diào)節(jié)器的輸出信號VA與相復(fù)勵裝置的輸出信號Vc疊加，生成勵磁信號VR，直流勵磁機(jī)在VR與飽和控制信號VE的共同作用下輸出勵磁電壓Vf。

2 系統(tǒng)仿真分析

針對雷達(dá)等脈沖負(fù)載的功率特性，以直流開關(guān)控制電阻的周期性投切來模擬數(shù)字式雷達(dá)等脈沖負(fù)載的功率特性［6-7］，建立如圖4所示的柴油發(fā)電機(jī)組-整流器-脈沖負(fù)載系統(tǒng)的等效電路模型。圖4中的電子調(diào)速器根據(jù)系統(tǒng)情況實(shí)時調(diào)節(jié)柴油機(jī)功率，維持機(jī)組輸出頻率穩(wěn)定，自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)控制柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓穩(wěn)定，可控整流器調(diào)節(jié)系統(tǒng)直流側(cè)輸出電壓維持在設(shè)定值500 V，系統(tǒng)采用LC無源濾波，直流開關(guān)的通斷由外置觸發(fā)信號控制，可通過設(shè)置脈沖信號來調(diào)節(jié)脈沖負(fù)載的工作模式。

圖4 柴油發(fā)電機(jī)組-整流器-脈沖負(fù)載等效電路圖

在該供電系統(tǒng)中，柴油發(fā)電機(jī)組-整流器系統(tǒng)作為等效直流電源，經(jīng)電抗L和電容C濾波后向脈沖負(fù)載Rs供電?？赏ㄟ^設(shè)置直流開關(guān)S的觸發(fā)脈沖信號控制脈沖負(fù)載的不同工作模式，令開關(guān)周期Ts表示模擬負(fù)載Rs周期性的通斷時間，導(dǎo)通占空比D為開關(guān)閉合時間占整個開關(guān)周期的比率。柴油發(fā)電機(jī)組中的柴油機(jī)功率設(shè)定為36 kW，同步發(fā)電機(jī)的額定功率為30 kW，功率因數(shù)0.8，機(jī)組的輸出頻率f為50 Hz，線電壓Vt為400 V，可控整流器的輸出電壓設(shè)為500 V。同時，設(shè)定脈沖負(fù)載的峰值功率PL為20 kW，即Rs為12.5 Ω，開關(guān)周期 Ts為 56 ms。

根據(jù)系統(tǒng)電路模型和系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)，搭建基于Matlab/Simulink仿真平臺的系統(tǒng)模型，在仿真中通過調(diào)節(jié)脈沖負(fù)載的占空比實(shí)現(xiàn)不同的工作模式，并根據(jù)仿真結(jié)果分析脈沖負(fù)載工作模式的變化對柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓與頻率的影響。仿真采用ode23tb算法，時間為6 s，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 脈沖負(fù)載工作在特定模式時的各電氣量波形

在圖5a)中可以看出:隨著脈沖負(fù)載電流周期性的突變，整流器的輸出電壓也隨之變化，當(dāng)開關(guān)S閉合時，脈沖負(fù)載消耗功率，此時直流電壓迅速下降;當(dāng)脈沖負(fù)載無電流時，在調(diào)壓器作用下，直流電壓可立刻恢復(fù)至設(shè)定值500 V。

圖5b)反映了整個仿真過程中柴油發(fā)電機(jī)組輸出頻率的變化趨勢:在1 s時刻開關(guān)S在觸發(fā)脈沖作用下控制電阻周期性的投切，此時由于負(fù)載迅速增大，柴油機(jī)的機(jī)械功率小于負(fù)載的電磁功率，而油門調(diào)節(jié)器尚未動作，因此，轉(zhuǎn)速下降以維持機(jī)械轉(zhuǎn)矩不變;隨后汽缸進(jìn)油量增加，柴油機(jī)輸出功率逐漸提高，機(jī)械轉(zhuǎn)矩增大從而轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)至額定值。但由于脈沖負(fù)載周期性的功率波動，因此，柴油發(fā)電機(jī)組的輸出頻率會以Ts為振蕩周期在某一固定值附近小幅波動。

圖5c)為柴油發(fā)電機(jī)組輸出電流隨脈沖負(fù)載功率波動的變化曲線。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組-整流器供電系統(tǒng)無功率輸出時，電樞電流極小，且為標(biāo)準(zhǔn)正弦波;當(dāng)脈沖負(fù)載消耗功率時，定子電流迅速增大，且畸變嚴(yán)重;當(dāng)脈沖負(fù)載不吸收功率時，定子電流同時減小，定子三相電流的變化周期也是Ts。

圖5d)～圖5f)為柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓在脈沖負(fù)載運(yùn)行的變化曲線，其中:圖5d)反映了單相電壓實(shí)時波形，通過對比橫坐標(biāo)時間可以看出，當(dāng)定子電流很大時電壓波形同樣產(chǎn)生一定程度的畸變;當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組-整流器系統(tǒng)空載時，定子電壓波形光滑。圖5e)為各時刻柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓的有效值隨脈沖負(fù)載的變化。圖5f)為單個開關(guān)周期內(nèi)電壓值波動的局部放大圖，通過對比時間軸可以看出，當(dāng)開關(guān)S閉合，即脈沖負(fù)載有功率輸出時，發(fā)電機(jī)組輸出電壓下降;當(dāng)開關(guān)S斷開，負(fù)載無電流時，發(fā)電機(jī)的輸出電壓在調(diào)壓裝置調(diào)節(jié)下振蕩上升，后維持在400 V附近小幅波動。

為進(jìn)一步分析機(jī)組在不同脈沖負(fù)載工作模式時柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓與頻率的穩(wěn)態(tài)情況，對仿真模型中脈沖負(fù)載的輸出占空比進(jìn)行調(diào)整，并計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組的輸出頻率f，頻率波動Δf，電壓有效值Vt，電壓總諧波畸變率THDv和負(fù)載實(shí)際功率pe，各穩(wěn)態(tài)值具體見表1。

表1 脈沖負(fù)載工作時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)(負(fù)載模式:PL=20 kW，Ts=56 ms，C=4 mF，L=0.125 mH)

通過表1可以看出，隨著占空比的增加，負(fù)載的實(shí)際功率pe也逐漸變大，當(dāng)占空比較小時，由整流器等線路損耗造成的功率損失較大，表現(xiàn)在實(shí)際功率小于理論平均功率Pav(即DPL);從表1還可以看出柴油發(fā)電機(jī)組的輸出頻率幾乎無變化，而頻率波動隨占空比的增大略有增大，說明所采用的調(diào)速器性能良好;柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓有效值Vt并沒有發(fā)生顯著變化，事實(shí)上，當(dāng)脈沖負(fù)載的占空比達(dá)到0.7時，柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓畸變非常嚴(yán)重，同時電壓有效值波動超過150 V，系統(tǒng)中電能質(zhì)量顯著降低，已不屬于系統(tǒng)正常工作范疇，故不再增大占空比。

3 結(jié)束語

本文針對柴油發(fā)電機(jī)組-整流器-脈沖負(fù)載系統(tǒng)的特點(diǎn)，基于Matlab/Simulink軟件建立了能適應(yīng)脈沖負(fù)載功率特性的系統(tǒng)仿真模型，分析了脈沖負(fù)載作用下柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓與頻率特性，并通過改變負(fù)載工作模式對比研究了脈沖負(fù)載對柴油發(fā)電機(jī)組-整流器供電系統(tǒng)的影響，證明了脈沖平均對柴油發(fā)電機(jī)組的影響不僅與負(fù)載平均功率有關(guān)，而且同脈沖負(fù)載有效功率的輸出占空比有很大關(guān)系。

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