船舶發(fā)電機(jī)組特殊工況運(yùn)行特性仿真研究

杜承東

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

船舶發(fā)電機(jī)組特殊工況運(yùn)行特性仿真研究

杜承東

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

首先根據(jù)船舶電站柴油發(fā)電機(jī)組的原理建立其Simulink數(shù)字仿真模型，通過調(diào)整勵磁調(diào)壓器、調(diào)速器的參數(shù)，使仿真模型突加、突卸外特性與某型機(jī)組的實測數(shù)據(jù)一致?；诜抡婺Ｐ驮O(shè)計了兩種特殊的突加、突卸運(yùn)行工況，驗證了該型機(jī)組在特殊工況下的響應(yīng)情況，結(jié)果有助于指導(dǎo)實船的運(yùn)行模式設(shè)計。

船舶電站 柴油發(fā)電機(jī)組 數(shù)字仿真

1 引言

船舶電站與陸地電網(wǎng)相比具有容量小、運(yùn)行工況復(fù)雜、負(fù)荷變化劇烈等特點，因此在船舶電站的設(shè)計過程中，利用數(shù)字仿真對其進(jìn)行分析研究具有重要的理論價值和參考意義[1～8]。隨著數(shù)字仿真技術(shù)的不斷普及，船舶電站數(shù)字仿真技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，但傳統(tǒng)的仿真模型在建模方法、建模對象上的缺陷也越來越明顯。部分研究僅根據(jù)理論模型結(jié)合經(jīng)驗參數(shù)建立數(shù)字仿真模型，因此無法建立仿真模型與實際系統(tǒng)在暫態(tài)調(diào)壓、調(diào)速特性上的精確對應(yīng)關(guān)系，影響了仿真結(jié)果的精度。這些文獻(xiàn)的共同特點是均未利用機(jī)組實測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行擬合[2～6]，因此對于實際工況的指導(dǎo)很有限。

基于船舶電站仿真模型在上述方面存在的缺點，本文深入研究船舶電站各組成設(shè)備的工作原理，試圖建立更加符合實際的柴油發(fā)電機(jī)組模型。利用經(jīng)典的Woodward調(diào)速模型及IEEE AC type1型勵磁控制器模型，采用MATLAB仿真軟件作為建模的仿真平臺，建立船舶電站的整體仿真環(huán)境。利用同型機(jī)組的實測數(shù)據(jù)對勵磁調(diào)壓器、調(diào)速器的參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，使仿真模型的三級加載外特性與實物試驗一致以完成精確建模。

本文首先介紹了原動機(jī)及其調(diào)速器、發(fā)電機(jī)及其勵磁控制器的工作原理，并闡述了調(diào)速器工作過程中的性能指標(biāo)。基于MATLAB建模并調(diào)整仿真模型控制器參數(shù)后，對模型的仿真誤差進(jìn)行了分析?；谡{(diào)整后的發(fā)電機(jī)組模型，設(shè)計了兩種特殊的突加、突卸運(yùn)行工況，驗證了改型機(jī)組在特殊工況下的響應(yīng)情況，有助于指導(dǎo)實船的運(yùn)行模式設(shè)計。

2 柴油發(fā)電機(jī)組模型

船舶電力系統(tǒng)建模分析以實船電力系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工作原理對系統(tǒng)中各個元件建立數(shù)學(xué)模型。其中，船舶柴油發(fā)電機(jī)組是電站運(yùn)行的重要組成部分[1]。柴油發(fā)電機(jī)組由柴油原動機(jī)、調(diào)速器、發(fā)電機(jī)和相復(fù)勵調(diào)壓裝置構(gòu)成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 柴油原動機(jī)及調(diào)速控制器模型

根據(jù)柴油機(jī)的特性，柴油機(jī)模型需要考慮的核心因素是柴油機(jī)的調(diào)節(jié)遲滯效應(yīng)。柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)油門開度大小來增大噴油量，油料在汽缸內(nèi)膨脹燃燒做功，最終導(dǎo)致輸出的機(jī)械功率增大，整個動態(tài)過程存在一個功率輸出時滯。因此柴油機(jī)模型應(yīng)包含這一時滯環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下式所示[9]。

式中：K為放大系數(shù)；T1為柴油機(jī)缸內(nèi)工作純延遲時間；T2為柴油機(jī)組運(yùn)動部件轉(zhuǎn)動慣性時間常數(shù)。

柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速反饋輸入、控制調(diào)節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出和外圍控制開關(guān)等環(huán)節(jié)組成。本文的柴油發(fā)電機(jī)組分析對象采用Woodward電子調(diào)速，通過采集發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、電流來計算輸出功率。結(jié)合機(jī)組轉(zhuǎn)速來判斷機(jī)組的當(dāng)前狀態(tài)，并在預(yù)先設(shè)定好的PID調(diào)節(jié)參數(shù)及下垂特性干預(yù)下，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出控制信號以改變柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率，其原理框圖如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)的特性主要取決于柴油發(fā)電機(jī)組的控制特性，將直接影響船舶電力系統(tǒng)的電能品質(zhì)及系統(tǒng)穩(wěn)定性[6]。其中調(diào)速控制器的PID參數(shù)是決定調(diào)速器調(diào)速性能的主要因素。當(dāng)柴油機(jī)處于穩(wěn)態(tài)工況時，只要選擇合適的下垂特性參數(shù)，調(diào)速器就能滿足柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速要求并與實船數(shù)據(jù)一致。而其動態(tài)特性主要通過精細(xì)調(diào)整PID參數(shù)使實際模型的響應(yīng)與實物較為接近。

設(shè)控制器輸出為m(t)，偏差信號為e(t)，則控制器的傳遞函數(shù)為

其核心控制規(guī)律[7]為：加大微分系數(shù)可以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，并增加阻尼加以改善。當(dāng)控制作用過強(qiáng)造成影響時，可減小比例增益和積分系數(shù)，以減弱控制作用來進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)仿真模型的動態(tài)響應(yīng)與機(jī)組轉(zhuǎn)速實測數(shù)據(jù)一致時進(jìn)行取值，以達(dá)到精確建模的目的。

在實際工程應(yīng)用中，為解決常規(guī)PID控制器積

分飽和的問題，可以采用積分分離算法，其離散后實際采用的控制規(guī)律如下式所示。

2.2 發(fā)電機(jī)及調(diào)壓控制器模型

同步發(fā)電機(jī)采用Simulink自帶的3階同步發(fā)電機(jī)模型，這里不再贅述。勵磁系統(tǒng)的模型誤差主要體現(xiàn)在交流勵磁機(jī)環(huán)節(jié)，嚴(yán)格來說勵磁機(jī)模型應(yīng)該是由同步發(fā)電機(jī)模型和不可控三相整流橋組成，但該復(fù)雜模型會嚴(yán)重影響系統(tǒng)計算速度。本文采用IEEEAC-Type1型勵磁系統(tǒng)模型中的相關(guān)部分作為本環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

其中具體參數(shù)意義可參考文獻(xiàn)[7]。該模型忽略了暫態(tài)凸極效應(yīng)和轉(zhuǎn)速變化的影響，但考慮了勵磁機(jī)飽和、發(fā)電機(jī)勵磁電流對勵磁機(jī)的去磁作用，以及整流器的換向壓降造成的發(fā)電機(jī)勵磁電壓下降。發(fā)電機(jī)的電壓外特性參數(shù)主要受勵磁調(diào)壓控制器的PID參數(shù)影響，其控制規(guī)律與前述調(diào)速器類似。

2.3 模型誤差分析

基于前述的柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合機(jī)組的型號、額定電壓、額定功率、機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)建立了發(fā)電機(jī)組模型。通過調(diào)壓、調(diào)速控制器的精確建模、參數(shù)調(diào)整等過程建立了發(fā)電機(jī)組精確模型，本節(jié)對仿真模型的誤差進(jìn)行了分析，了解了柴油發(fā)電機(jī)組動態(tài)性能的指標(biāo)主要有負(fù)載突加突卸時的瞬態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)定時間等。數(shù)字模型仿真結(jié)果、某型機(jī)組的實測數(shù)據(jù)及誤差分析的結(jié)果匯總?cè)绫?、表2所示。

表1 調(diào)速特性誤差分析

表2 調(diào)壓系統(tǒng)誤差分析

根據(jù)文獻(xiàn)[13]所述的信度計算方法評估仿真準(zhǔn)確度。通過誤差分析的計算數(shù)據(jù)可知，所搭建的轉(zhuǎn)速控制器及勵磁調(diào)壓系統(tǒng)仿真模型達(dá)到了很高的精度，為后續(xù)的仿真研究建立了基礎(chǔ)。

3 仿真算例

3.1 大容量負(fù)載突加

首先考慮一個大容量負(fù)荷突加情況。造成這種工況的原因可能是誤操作，也可能是某負(fù)荷的額定容量與機(jī)組容量相近。設(shè)機(jī)組本來運(yùn)行于20%額定負(fù)載且功率因數(shù)為cosφ=0.8，機(jī)組突加至100%滿載。

在該工況下的動態(tài)過程中，最低轉(zhuǎn)速達(dá)到1 440 r/min，計算可知瞬時調(diào)速率為6.3%，最低電壓為0.87倍額定電壓，計算可知瞬時調(diào)壓率為15%，均符合CCS標(biāo)準(zhǔn)(見表3)，具體仿真結(jié)果如圖4所示。

表3 CCS規(guī)定的電壓、頻率波動范圍

圖4 突加工況仿真結(jié)果(20%～100%，cosφ=0.8)

3.2 大容量負(fù)載連續(xù)投退

其次考慮一個連續(xù)突卸突加工況。設(shè)機(jī)組本來運(yùn)行于80%額定負(fù)載且功率因數(shù)為cosφ=0.8的情況，機(jī)組突卸至空載后，在1 s內(nèi)再次突加該負(fù)載的情況。造成這種工況的原因可能是誤操作，也可能是系統(tǒng)發(fā)生故障后由繼電保護(hù)裝置切除故障后恢復(fù)供電，是具有脈沖性質(zhì)的大容量負(fù)載連續(xù)投退運(yùn)行。

機(jī)組在5 s前平穩(wěn)運(yùn)行于80% cosφ=0.8的額定負(fù)載，在5 s時突卸至空載，在6 s時又突加80% cosφ=0.8的額定負(fù)載。主要觀察該過程中的機(jī)組轉(zhuǎn)速，自5 s～6 s為突卸大容量負(fù)荷的動態(tài)過程，6 s之后為突加大容量負(fù)荷的動態(tài)過程。由于兩者間隔時間很短，因此存在突卸負(fù)荷使機(jī)組轉(zhuǎn)速升高尚未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)就再次突加的情況，突卸、突加兩者的動態(tài)過程應(yīng)一起考慮。在此過程中，最大轉(zhuǎn)速達(dá)到1 610 r/min，最低轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，計算可知瞬時調(diào)速率為10.6%，超出了CCS規(guī)定10%的限值。最大電壓達(dá)到1.15倍額定值，最低電壓為0.9倍額定值，計算可知瞬時調(diào)壓率為25%，超出了CCS規(guī)定20%的限值，具體仿真結(jié)果如圖5所示。

由該算例可知，即使機(jī)組在三級加載試驗中符合試驗大綱的要求，但在這種特殊工況下的動態(tài)行為仍然不能滿足CCS標(biāo)準(zhǔn)的要求。在機(jī)組實際運(yùn)行過程中應(yīng)當(dāng)避免這種情況的發(fā)生。

圖5 突卸突加工況仿真結(jié)果(80%～0%～80%，cosφ=0.8)

4 結(jié)論

船舶柴油發(fā)電機(jī)組的建模與運(yùn)行仿真研究有助于分析和解決船舶電站特殊運(yùn)行工況的問題。本文結(jié)合船舶電站發(fā)電機(jī)組的基本原理，將該仿真模型的突加、突卸外特性與某型機(jī)組的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對，通過調(diào)整勵磁調(diào)壓器、調(diào)速器參數(shù)，使仿真模型的外特性與實物試驗一致?；谡{(diào)整后的發(fā)電機(jī)組模型，設(shè)計了兩種特殊的突加、突卸運(yùn)行工況，驗證了改型機(jī)組在特殊工況下的響應(yīng)情況。仿真結(jié)果有助于指導(dǎo)實船的運(yùn)行模式設(shè)計，并在后續(xù)研究特殊工況對機(jī)組軸系沖擊、壽命影響時具有一定的參考意義。

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Simulation Study on Operating Characteristic of Marine Generator in Special Working Condition

DU Cheng-dong

(Navy Military Representative Office at Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

This article builds a Simulink simulation model based on the principle of marine diesel generator, makes the model's load/unload characteristic in accordance with testing datas through adjusting the parameters of AVR and speed governor. Based on the simulation model, two special load/unload operation conditions are designed, which confirms the responding situation in special condition. The result provides a reference for operation pattern design of actual ship.

Marine power station Diesel generator Digital simulation

杜承東(1977-)，男，工程師。

U662

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