邵夢麟，梁前超，鄔 健

（1．海軍工程大學(xué)艦船動力工程軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033；2．海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)由于具有很高的經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動性及可靠性等優(yōu)勢，已成為未來艦船動力的主要發(fā)展方向[1]。燃?xì)廨啓C(jī)由于其功率大、重量輕、振動小，成為綜合電力系統(tǒng)原動機(jī)的理想選擇。而船舶電網(wǎng)作為一個獨(dú)立運(yùn)行的孤立電網(wǎng)，電站容量小，對電力負(fù)荷大范圍變化比較敏感[2,3]。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生波動時，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組作為綜合電力系統(tǒng)的電源，其控制系統(tǒng)需實(shí)時可靠地調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)端電壓，以保證電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定性。

船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組控制包括燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制和同步發(fā)電機(jī)勵磁控制兩個方面，轉(zhuǎn)速控制使機(jī)組以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，對船舶電網(wǎng)頻率及發(fā)電機(jī)有用功率輸出有直接影響；勵磁控制直接影響發(fā)電機(jī)端電壓穩(wěn)定和發(fā)電機(jī)的無功功率輸出。文獻(xiàn)[4,5]基于機(jī)理建模分析方法建立了燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組的動力學(xué)仿真模型，進(jìn)一步對燃?xì)廨啓C(jī)的控制策略進(jìn)行分析研究，但未從保證電網(wǎng)電能品質(zhì)出發(fā)，結(jié)合發(fā)電機(jī)端電壓控制進(jìn)行綜合研究。本文圍繞燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速及發(fā)電機(jī)端電壓的控制策略展開研究，采用Matlab/Simulink軟件建立某單軸燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)仿真模型，結(jié)合船舶電網(wǎng)供電指標(biāo)，研究所建立控制系統(tǒng)模型的動態(tài)響應(yīng)特性。

1 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)模型

將同步發(fā)電機(jī)及其勵磁系統(tǒng)作為一個電磁相互作用的整體單元，船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組是以燃?xì)廨啓C(jī)為原動機(jī)，通過機(jī)械軸帶動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。同步發(fā)電機(jī)為燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)械軸負(fù)荷；電網(wǎng)的電力負(fù)荷作用到同步發(fā)電機(jī)上，發(fā)電機(jī)通過機(jī)械轉(zhuǎn)矩作用于燃?xì)廨啓C(jī)。

如圖1所示，燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、加速度控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)組成。三個控制系統(tǒng)輸出的燃料值參考指令經(jīng)過最小值選擇器，將最小的燃料基準(zhǔn)值送到燃料控制系統(tǒng)，對燃?xì)廨啓C(jī)的供油量進(jìn)行控制。

1）轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

圖1 船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

機(jī)組的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)的頻率兩者之間總存在一定的偏差，轉(zhuǎn)速控制的目的就是跟蹤電網(wǎng)負(fù)荷的變化，調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速，使偏差控制在允許的范圍內(nèi)，從而保證機(jī)組發(fā)出電能的頻率品質(zhì)，轉(zhuǎn)速控制通常采用帶慣性的比例算法，輸入為給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差。

2）加速度控制系統(tǒng)

加速度控制系統(tǒng)在正常情況下不起作用，是一種限制性控制，只在燃?xì)廨啓C(jī)啟動過程中限制機(jī)組的啟動加速率或在機(jī)組突然甩負(fù)荷時抑制動態(tài)超速，以防止轉(zhuǎn)子加速度過高威脅機(jī)組的安全。

3)溫度控制系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)渦輪的進(jìn)口燃?xì)鉁囟群芨撸瑸榱吮苊飧邷厝細(xì)鈱u輪葉片產(chǎn)生損害，在運(yùn)行中必須使渦輪進(jìn)氣溫度控制在一定范圍內(nèi)，保證燃?xì)獠怀瑴?。采用熱電偶對燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度進(jìn)行測量，根據(jù)測量原理，溫度測量模型由測溫元件和溫度場兩部分的動力學(xué)模型構(gòu)成，其模型分別為：1/(1+2.5s)和 0.8+0.2/(1+15s)。

綜上，建立某型單軸燃?xì)廨啓C(jī)和控制系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

2 同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)

勵磁系統(tǒng)的基本功能為能供給和自動調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的磁場電流，使得發(fā)電機(jī)的電力輸出在連續(xù)容量之內(nèi)變化時能維持端電壓不變[6]。船舶大功率同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

發(fā)電機(jī)端電壓和機(jī)組轉(zhuǎn)速是一對相互耦合的變量，其中一個變量發(fā)生變化會引起另一個變量變化。轉(zhuǎn)速控制和勵磁控制作為這兩個變量的控制系統(tǒng)，需相互協(xié)調(diào)，達(dá)到同時控制燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速及電壓穩(wěn)定的目的，以滿足船舶電網(wǎng)對供電質(zhì)量的要求。

如圖4所示，分別建立燃?xì)廨啓C(jī)及其控制系統(tǒng)仿真模型和同步發(fā)電機(jī)及其勵磁控制系統(tǒng)仿真模型，并根據(jù)模型接口之間的關(guān)系進(jìn)行連接并調(diào)試，搭建船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)仿真模型。由于船舶負(fù)載中，多是感性負(fù)載，故采用三相RL負(fù)載通過控制主開關(guān)的通斷模擬實(shí)船負(fù)載變化進(jìn)行仿真，研究所建立的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。模型中所用變量均采用無量綱形式，以標(biāo)么值（pu）表示，額定工況下變量值為1。

圖2 某型單軸燃?xì)廨啓C(jī)和控制系統(tǒng)仿真模型

圖3 同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真模型

3.1 突增負(fù)荷仿真實(shí)驗(yàn)

當(dāng)發(fā)電機(jī)組空載運(yùn)行達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定運(yùn)行后，在15s時，突增50%電力負(fù)荷；30s時突增另外50%負(fù)荷。突增負(fù)荷過程中發(fā)電機(jī)組各參數(shù)變化情況如圖5-圖9所示。

從圖5-圖8可知，當(dāng)機(jī)組空載穩(wěn)定運(yùn)行后，在15s突增50%負(fù)載，原動機(jī)功率明顯增大，并經(jīng)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)控制，約1.5s穩(wěn)定下來；發(fā)電機(jī)端電壓受到?jīng)_擊后，在勵磁控制系統(tǒng)作用下，不到1s迅速穩(wěn)定到額定值3%以內(nèi)；機(jī)組轉(zhuǎn)速降低約2%，經(jīng)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，約2.5s穩(wěn)定到基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。在30s機(jī)組突增50%負(fù)載后，各參數(shù)變化曲線與上述分析基本相似。

圖5 原動機(jī)輸出功率變化曲線圖

由圖9可知，機(jī)組空載運(yùn)行時，定子電流為零；在15s和30s時，由于負(fù)載增加，電流均相應(yīng)增大，隨后保持在穩(wěn)定值。

圖6 燃?xì)廨啓C(jī)燃油信號變化曲線圖

圖7 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線圖

3.2 突卸負(fù)荷仿真實(shí)驗(yàn)

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行后，在15 s時，突卸50%電力負(fù)荷；30s時突卸另外50%負(fù)荷。機(jī)組一系列參數(shù)變化情況如圖10-圖14所示。

圖8 發(fā)電機(jī)端電壓變化曲線圖

圖9 發(fā)電機(jī)定子電流變化圖

圖10 原動機(jī)輸出功率變化曲線圖

從圖10-圖14可知，當(dāng)機(jī)組帶負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行后，在15s突減50%負(fù)載，原動機(jī)功率快速下降，存在小范圍波動，經(jīng)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)控制，約1s后穩(wěn)定下來；燃?xì)廨喨加土拷档?；在勵磁控制系統(tǒng)作用下，發(fā)電機(jī)動態(tài)電壓恢復(fù)到穩(wěn)定值3%以內(nèi)的時間明顯小于1.5s；機(jī)組轉(zhuǎn)速升高約1%，經(jīng)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，約2s穩(wěn)定到基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。在30s機(jī)組突減50%負(fù)載后，各參數(shù)變化曲線與上述分析基本相似。

由圖14可知，在15s和30s時，由于負(fù)載減少，電流均相應(yīng)降低，隨后保持在穩(wěn)定值，30s之后，機(jī)組空載運(yùn)行，發(fā)電機(jī)定子電流為零。

圖11 燃?xì)廨啓C(jī)燃油信號變化曲線圖

圖12 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線圖

圖13 發(fā)電機(jī)端電壓變化曲線圖

結(jié)果表明：在變工況過程中，發(fā)電機(jī)組動態(tài)響應(yīng)特性滿足《GBT-13030-2009船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)條件》對船舶電網(wǎng)供電系統(tǒng)要求：原動機(jī)在突卸50%和空載下突加50%額定負(fù)載，其瞬態(tài)調(diào)速率應(yīng)不超過±10%，穩(wěn)定時間不大于5s；電網(wǎng)電壓和頻率的瞬態(tài)變化應(yīng)在±10%內(nèi)，持續(xù)時間不超過5s。

圖14 發(fā)電機(jī)定子電流變化圖

4 結(jié)語

本文主要圍繞燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速及發(fā)電機(jī)端電壓的控制策略展開研究，采用Matlab/Simulink軟件建立某單軸燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)仿真模型，對其進(jìn)行突增及突卸負(fù)荷仿真研究，結(jié)合船舶電網(wǎng)供電要求指標(biāo)，分析發(fā)電機(jī)組一系列參數(shù)的不同響應(yīng)過程。

研究結(jié)果表明：當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷大范圍變化時，在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組調(diào)速控制系統(tǒng)與勵磁控制系統(tǒng)共同作用下，發(fā)電機(jī)組具有良好的調(diào)速及調(diào)壓性能，滿足船舶電網(wǎng)對供電品質(zhì)的要求。

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