基于AMEsim的船用柴油發(fā)電機(jī)組仿真

張 猛，黃伍德，劉海洋，王 恒

（1. 海軍駐大連地區(qū)第一軍事代表室，遼寧鐵嶺 112000；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著當(dāng)代船舶大型化、綜合化、自動化程度的不斷提高，越來越多的船用設(shè)備需要使用電能來驅(qū)動或控制。船用設(shè)備和船舶運(yùn)行工況日益復(fù)雜，直流電力系統(tǒng)、電力推進(jìn)系統(tǒng)等新型船舶電力系統(tǒng)方向的發(fā)展，均給船舶供電系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的高品質(zhì)電能帶來了新的挑戰(zhàn)。

針對船舶電力系統(tǒng)最經(jīng)濟(jì)有效的研究分析方法即計(jì)算機(jī)建模與仿真。船用柴油發(fā)電機(jī)組往往需要面臨連續(xù)高負(fù)荷、連續(xù)低負(fù)荷、負(fù)荷突加突卸、周期性負(fù)荷、脈沖性負(fù)荷等工況，需對其相應(yīng)的工況過程進(jìn)行研究，以保證機(jī)組響應(yīng)特性滿足電力系統(tǒng)的要求[1]。對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)測試成本高、工作量大且受試驗(yàn)條件約束，合理運(yùn)用建模與仿真技術(shù)能降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，提高研發(fā)效率。由此，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是電力部門降低生產(chǎn)成本、保持技術(shù)優(yōu)勢和尋求船電系統(tǒng)設(shè)計(jì)最優(yōu)解的重要手段，也是評估電力系統(tǒng)運(yùn)行性能的有效方法，具有較高的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展及柴油發(fā)電機(jī)理論數(shù)學(xué)模型的不斷完善，可建立精度較高的仿真模型對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行研究。柴油發(fā)電機(jī)組是船舶供電系統(tǒng)的重要組成單元，柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)相互耦合形成不可分割的一個整體，因此，在進(jìn)行機(jī)組仿真分析時，建立精確的柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行仿真模型很重要。

以往柴油發(fā)電機(jī)組的仿真模型大多基于微分方程數(shù)學(xué)模型建立，再進(jìn)行編程計(jì)算，但此舉編程調(diào)試工作量大，計(jì)算結(jié)果的分析處理也相對復(fù)雜。而AMEsim是應(yīng)用于信號控制、機(jī)械、發(fā)動機(jī)等領(lǐng)域的系統(tǒng)建模、仿真及動力學(xué)分析軟件，可實(shí)現(xiàn)多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)建模、仿真及分析。AMEsim軟件對柴油發(fā)電機(jī)組的建模既不需要建立微分方程，也不用編寫代碼，可直接利用模塊化單元進(jìn)行仿真建模，同時也可實(shí)時監(jiān)控參數(shù)變化、提取仿真結(jié)果，高效便捷。

柴油機(jī)作為一個復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，其輸出信號（主要為轉(zhuǎn)速和扭矩）受較多因素的影響，包括進(jìn)排氣流量及壓力、燃油壓力、噴油設(shè)置、調(diào)速規(guī)律、負(fù)載大小及變化等；另一方面，發(fā)電機(jī)負(fù)載的變化會引起聯(lián)軸器力矩的變化，從而影響轉(zhuǎn)速的變化，而轉(zhuǎn)速又反過來會影響發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓。由此可見，柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)可構(gòu)成一個互相影響又共同趨向動態(tài)平衡的整體，因此應(yīng)綜合考慮二者的影響[2]。

本文采用AMEsim仿真軟件對某柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行詳細(xì)建模與仿真，模型中包含了渦輪增壓器、中冷器、氣缸、曲軸、電子調(diào)速器等柴油機(jī)部件，以及主發(fā)電機(jī)、勵磁機(jī)、AVR等發(fā)電機(jī)部件，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)，與實(shí)際相符。

1 柴油發(fā)電機(jī)組模型的建立

1.1 系統(tǒng)劃分

將柴油發(fā)電機(jī)組劃分為柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)2大部分，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。其中，柴油機(jī)部分包括進(jìn)排氣系統(tǒng)、中冷器、廢氣渦輪增壓器、調(diào)速器、供油裝置、柴油機(jī)主體（機(jī)體、氣缸、活塞、連桿、曲軸等）等；發(fā)電機(jī)部分則主要包括發(fā)電機(jī)主體、AVR（自動勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)）、勵磁機(jī)等。柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)之間通過聯(lián)軸器連接[3]。

1.2 柴油機(jī)燃燒室基本方程

為簡化燃燒室的熱力過程計(jì)算，將燃燒室簡化為零維系統(tǒng)，即假定燃燒室內(nèi)工質(zhì)在任意時刻都是理想均勻的，室內(nèi)各處在同一時刻的溫度、成分和壓力均相同，即可用這3個物理量來描述燃燒室的氣體狀態(tài)，分別對應(yīng)能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和氣體狀態(tài)方程，如式（1）、式（2）、式（3）。

式中：U為燃燒室內(nèi)工質(zhì)內(nèi)能，J；W為對外做功，J；Qf為燃燒放熱，J；Qm為氣缸壁傳熱，J；hin為進(jìn)氣的焓，J/mol；min為進(jìn)氣量，mol；hout為排氣的焓，J/mol；mout為排氣量，mol；φ為曲軸轉(zhuǎn)角，rad。

式中：m為燃燒室內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量，kg；mf為噴入的燃料質(zhì)量，kg。

式中：p為燃燒室內(nèi)氣體的壓力，Pa；V為燃燒室內(nèi)氣體的體積，m3；R為熱力常數(shù)，J/（mol·K）；T為燃燒室內(nèi)氣體的溫度，K。

1.3 工質(zhì)燃燒模型

柴油發(fā)電機(jī)組的燃燒工質(zhì)主要為柴油與空氣的混合物，工質(zhì)的燃燒放熱規(guī)律對燃燒室內(nèi)壓力和溫度的變化起主要作用，且對柴油機(jī)的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)性能有較大影響。目前，船用柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速大多高于1 000 r/min，為高速機(jī)組，故采用精度較高的雙韋伯函數(shù)模擬燃燒放熱規(guī)律。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)圖

式中：Qf為總放熱量，J；X1為預(yù)混合燃燒階段的放熱量，J；X2為擴(kuò)散燃燒階段的放熱量，J；φB為燃燒起始角，rad；φzp為預(yù)混合燃燒持續(xù)角，rad；φzd為擴(kuò)散燃燒持續(xù)角，rad；mp、md分別為對應(yīng)兩階段的擬合參數(shù)；Qp、Qd分別為兩階段的燃燒放熱量，J。

雙韋伯函數(shù)模型把工質(zhì)燃燒分為預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒，預(yù)混合燃燒階段燃燒時間短、燃燒爆壓大、釋放熱量劇烈，擴(kuò)散燃燒階段相對平緩。

1.4 氣缸周壁傳熱

燃燒室是由氣缸蓋底面、活塞頂面和氣缸套內(nèi)表面圍成的封閉空間，其內(nèi)部的高溫工質(zhì)與這些表面發(fā)生熱交換。根據(jù)經(jīng)典傳熱學(xué)中的牛頓冷卻公式，燃燒室周壁傳熱率如式（7）

式中：ω為柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動角速度，r/s；αw為瞬時平均換熱系數(shù)；Ai為換熱面積，m2；T為工質(zhì)瞬時溫度，K；Twi為壁面平均溫度，K，i＝1, 2, 3分別對應(yīng)氣缸蓋、活塞、氣缸套。

1.5 進(jìn)/排氣模型

柴油機(jī)進(jìn)、排氣模型主要包括2部分：流量模型和管道流動模型。流量模型用以計(jì)算工質(zhì)流經(jīng)進(jìn)氣閥、排氣閥的質(zhì)量流量，即式（1）中對min、mout的計(jì)算；質(zhì)流量與氣閥流通截面積和流量系數(shù)有關(guān)。氣閥流通截面積隨氣門的升程而變化，氣門升程由凸輪和搖臂機(jī)構(gòu)及曲軸轉(zhuǎn)角而定。流量系數(shù)一般以氣門升程為參數(shù)進(jìn)行描述，由廠家實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式而定。

管道流動模型用以確定工質(zhì)在管道流動中的壓力、溫度等狀態(tài)參數(shù)的變化，通常采用容積法進(jìn)行計(jì)算，即將進(jìn)氣管道、排氣管道都簡化為定容容器[4]。其中，進(jìn)氣管道包括氣缸蓋的進(jìn)氣道、進(jìn)氣支管、進(jìn)氣總管、壓氣機(jī)容積等；排氣管道包括氣缸蓋排氣道、排氣支管、排氣總管和廢氣渦輪進(jìn)氣渦殼等。

1.6 調(diào)速系統(tǒng)

柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型中采用的調(diào)速器為電子調(diào)速器。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化引起轉(zhuǎn)速變化時，調(diào)速系統(tǒng)通過控制供油裝置執(zhí)行器的燃油齒條位置，改變噴油器供油量進(jìn)而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使其控制在特定范圍內(nèi)。該模型中柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用雙PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，其原理如圖2所示。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)原理圖

執(zhí)行器是柴油機(jī)的供油執(zhí)行單元，可根據(jù)接收的齒條位置信號來調(diào)整油泵齒條的實(shí)際位置，可簡化為1個一階慣性環(huán)節(jié)。

1.7 發(fā)電機(jī)模型

本文采用三相同步發(fā)電機(jī)的雙極理想模型，發(fā)電機(jī)主要考慮電磁部分與機(jī)械部分，即對應(yīng)的電磁回路方程和轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程。雙極理想發(fā)電機(jī)模型示意如圖3所示，模型相關(guān)參量及其參考正方向如圖3中標(biāo)注，通過派克變換可得到dq0坐標(biāo)下的電壓方程和磁鏈方程。

式中：Lxx為各繞組的自感與互感。

圖3 雙極理想發(fā)電機(jī)的模型示意圖

發(fā)電機(jī)的電磁力矩方程為

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動力學(xué)方程為

式中：J為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Tm為柴油機(jī)通過聯(lián)軸器給發(fā)電機(jī)的力矩，N·m。動力學(xué)方程可以將外界輸入與發(fā)電機(jī)內(nèi)部參量聯(lián)系起來。在仿真分析時，需要對模型的瞬態(tài)特性進(jìn)行仿真，并綜合考慮模型的精細(xì)度和復(fù)雜度，采用實(shí)用五階模型。

1.8 發(fā)電機(jī)自動勵磁模型

本文所建立的機(jī)組模型選用了交流無刷同步發(fā)電機(jī)，根據(jù)無刷電機(jī)勵磁原理，將AVR采集的發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓信號與設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)發(fā)出電壓偏高時，AVR會調(diào)整勵磁機(jī)勵磁電流的大小，從而調(diào)整勵磁磁場強(qiáng)度，最終達(dá)到控制發(fā)電機(jī)輸出電壓的目的。發(fā)電機(jī)自動勵磁模型如圖 4所示。

圖4 發(fā)電機(jī)自動勵磁模型

2 仿真模型的建立

采用AMEsim軟件對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行建模。首先根據(jù)機(jī)組的組成與特點(diǎn)，在軟件的模型庫中選擇相應(yīng)模型并根據(jù)實(shí)際情況按順序進(jìn)行連接；然后，對每一個模型選取適當(dāng)?shù)淖幽Ｐ停催x擇模塊背后的數(shù)學(xué)模型，如氣缸燃燒放熱可選擇Extended Chmela-based模型或雙韋伯函數(shù)模型；最后對各模型或子模型設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)或表達(dá)式即可。圖5為所建立的柴油發(fā)電機(jī)組的整體模型，圖6～圖8為渦輪增壓器、柴油機(jī)、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)等主要組成部件的模型。

圖5 機(jī)組模型

圖6 廢氣渦輪增壓器模型

圖7 柴油機(jī)模型

圖8 聯(lián)軸器模型

圖9 發(fā)電機(jī)模型

3 仿真工況與結(jié)果分析

3.1 仿真工況

建立仿真模型，配置適當(dāng)參數(shù)，即可進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程仿真。本文利用所建立的模型進(jìn)行瞬態(tài)調(diào)速和瞬態(tài)調(diào)壓工況的仿真分析。首先確定模型PID等參數(shù)和公式，使得機(jī)組在穩(wěn)態(tài)工況下的轉(zhuǎn)速和電壓與試驗(yàn)測試結(jié)果相符，而后進(jìn)行瞬態(tài)調(diào)速、調(diào)壓的仿真測試。

3.2 瞬態(tài)調(diào)速工況

參考柴油發(fā)電機(jī)組常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目，可將本文所研究的柴油發(fā)電機(jī)組瞬態(tài)調(diào)速工況分為 0%～50%額定負(fù)載突加和 100%～0%突卸工況，功率因素為 1，記錄轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果并與試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比。圖10和圖11分別是突加和突卸工況下機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化曲線。

圖10 0%～50%突加轉(zhuǎn)速曲線

圖11 100%～0%突卸轉(zhuǎn)速曲線

由此可得：

1）仿真轉(zhuǎn)速與試驗(yàn)轉(zhuǎn)速總體變化趨勢一致。

2）仿真轉(zhuǎn)速與試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定值和瞬時波動最大/最小值基本一致。

3）突卸的仿真結(jié)果更為精確，突加曲線在轉(zhuǎn)速從最小值回升的過程中，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的偏差，仿真曲線則更快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

3.3 瞬態(tài)調(diào)壓工況

本文柴油發(fā)電機(jī)組的瞬態(tài)調(diào)壓工況采用0%～50%（IN）突加工況，功率因數(shù)為0.4，記錄仿真與試驗(yàn)電壓幅值變化曲線，如圖12所示。

圖12 0%～50%突加電壓幅值曲線

由圖12可知：

1）仿真電壓與試驗(yàn)電壓總體變化趨勢一致；

2）仿真電壓與試驗(yàn)電壓的穩(wěn)定值和瞬時波動最大/最小值基本一致；

3）試驗(yàn)電壓幅值經(jīng)過2次調(diào)整（即有2個明顯的波峰波谷）后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，而仿真曲線在1次調(diào)整后基本進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

4 結(jié)論

利用AMEsim軟件對本文研究的柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行建模與仿真，通過分析載荷突加、突卸運(yùn)行等工況，得出以下結(jié)論和展望。

1）AMEsim軟件仿真精度高，可建立仿真模型對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行分析研究。

2）可以利用 AMEsim對機(jī)組進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)與研究，包括分析排氣背壓、渦輪增壓器運(yùn)行工況點(diǎn)、進(jìn)氣溫度等因素對機(jī)組運(yùn)行工作性能、發(fā)電機(jī)輸出電能品質(zhì)的影響。

3）當(dāng)實(shí)際工作中柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障時，利用仿真模型對故障原因進(jìn)行仿真驗(yàn)證。