李玉生 陳瑞

（1. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧大連 116005；2. 中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064）

1 引言

隨著艦船技術(shù)的發(fā)展，船舶電站的容量越來越大，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。再加上船舶電力系統(tǒng)自身特點，即：負(fù)載大多為異步電動機(jī)，部分負(fù)載和發(fā)電機(jī)的功率具有可比性，使系統(tǒng)存在較大的擾動，頻率和電壓不再保持為恒定，而是一個動態(tài)變化的過程；系統(tǒng)電壓低且供電線路短，使發(fā)電機(jī)、供電線路、斷路器及匯流排正常和故障電流非常大[1]。這樣，船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性的研究變得更加困難。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)為我們提供了一個很好的解決辦法。通過對船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行精確建模，利用數(shù)字仿真軟件強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運行能力對各種工況下電力系統(tǒng)運行情況進(jìn)行仿真驗證，為系統(tǒng)設(shè)計提供參考和支撐。本文利用PSCAD仿真軟件對船舶電力系統(tǒng)中最重要的組成部分柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行建模仿真[2]，通過對船舶電站同步發(fā)電機(jī)的勵磁控制[3]和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制來提高船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 柴油發(fā)電機(jī)組模型建立與分析

柴油發(fā)電機(jī)組主要由柴油原動機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)以及同步發(fā)電機(jī)及其勵磁系統(tǒng)組成。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。有調(diào)速系統(tǒng)和相復(fù)勵調(diào)壓系統(tǒng)兩個閉環(huán)。

2.1 柴油機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的模型

柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本作用是調(diào)節(jié)機(jī)組功率輸出，維持機(jī)組轉(zhuǎn)速在調(diào)節(jié)精度允許范圍內(nèi)。調(diào)速器一般都包括轉(zhuǎn)速測量放大、信號調(diào)節(jié)與伺服放大和執(zhí)行等三個主要功能環(huán)節(jié)，圖2是柴油機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型原理框圖。

圖1 發(fā)電機(jī)組模型方框圖

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

圖2中，調(diào)速系統(tǒng)的輸入量是轉(zhuǎn)速/功率參考值（ωref和Pref）和轉(zhuǎn)速測量信號ω，輸出量是柴油機(jī)調(diào)節(jié)油門開度μ。測量放大環(huán)節(jié)增益KG是單位功率調(diào)節(jié)系數(shù)，其倒數(shù)即為調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)差系數(shù)bp，該系數(shù)決定了調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)偏差。在不進(jìn)行載頻調(diào)節(jié)的情況下決定了并聯(lián)運行的機(jī)組之間的有功負(fù)荷分配。信號調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)是為提高調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能設(shè)置調(diào)速控制單元，視具體調(diào)速系統(tǒng)而定。伺服放大是將控制信號進(jìn)行功率放大用于驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的環(huán)節(jié)，通?？紤]為一階慣性環(huán)節(jié)，TR是對應(yīng)的時間常數(shù)。失靈區(qū)用于表示機(jī)械測速裝置或者油壓設(shè)備存在的動作死區(qū)，它對于調(diào)速系統(tǒng)的靈敏性具有重要的影響。另一方面，電氣液壓型或者微機(jī)型調(diào)速器失靈區(qū)很小，在負(fù)荷波動比較大的情況下為了避免調(diào)速器頻繁動作需要人為地設(shè)置失靈區(qū)。油動機(jī)環(huán)節(jié)是調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行組件，由配壓閥和伺服馬達(dá)組成。該環(huán)節(jié)相當(dāng)于數(shù)學(xué)上的積分環(huán)節(jié)，采用單位反饋構(gòu)成液壓隨動系統(tǒng)，執(zhí)行調(diào)速控制輸出指令。其中，TSM代表油動機(jī)積分時間常數(shù)，LC1和LC2分別代表調(diào)節(jié)器門的開啟和關(guān)閉速度限制，μmax和μmin表示調(diào)節(jié)汽門的開度限制[4]。

用于電力系統(tǒng)動態(tài)仿真分析的柴油機(jī)模型通常要考慮當(dāng)調(diào)節(jié)油門開度變化時柴油機(jī)輸出機(jī)械功率存在時滯，即當(dāng)柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)動作增大噴油量，到油料在汽缸內(nèi)膨脹燃燒做功輸出增大了的機(jī)械功率這一動態(tài)過程存在一個功率輸出時滯。因此柴油機(jī)模型應(yīng)該包含這一時滯環(huán)節(jié)。在仿真中采用時滯環(huán)節(jié)表示。如圖3所示。

圖3 柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型

仿真中的調(diào)速系統(tǒng)模型采用的是由比例－積分調(diào)節(jié)與串聯(lián)超前－滯后補(bǔ)償組合構(gòu)成的，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 同步發(fā)電機(jī)模型

PSCAD/EMTDC模型庫提供標(biāo)準(zhǔn)同步電機(jī)模型，可以直接與勵磁系統(tǒng)、柴油機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)以及主配電網(wǎng)絡(luò)接口（見圖5）。該模型是基于理想同步電機(jī)假設(shè)條件和Park變換建立[5]，適用于 電力系統(tǒng)工頻穩(wěn)態(tài)和瞬時分析。PSCAD/EMTDC同步電機(jī)模型還可以模擬同步電機(jī)飽和特性。當(dāng)需要考慮飽和的時候，模型中要求輸入飽和特性曲線，也就是發(fā)電機(jī)空載特性曲線。這實際上是用 D軸方向的磁路飽和來近似地表示電機(jī)的飽和。

圖4 柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型

圖5 PSCAD/EMTDC模型庫中標(biāo)準(zhǔn)同步電機(jī)模型

2.3 同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)模型

由于船舶用電設(shè)備多為感性負(fù)載，負(fù)載電流對交流同步發(fā)電機(jī)是起去磁作用的，電流大小和功率因數(shù)的變化都會引起發(fā)電機(jī)端電壓的變化，所以船舶交流同步發(fā)電機(jī)必須安裝設(shè)有自動電壓調(diào)整裝置（AVR）或自勵恒壓裝置（能自激起壓，并在負(fù)載變化時自動維持電壓恒定的裝置）來調(diào)整發(fā)電機(jī)的端電壓，否則將會影響電氣設(shè)備的正常工作[4]。由此可見，同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)設(shè)計的好壞直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。本文中設(shè)計的勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)為自勵恒壓可控相復(fù)勵勵磁系統(tǒng)，由相復(fù)勵系統(tǒng)和自動電壓調(diào)整器等環(huán)節(jié)組成[6,7]。

相復(fù)勵系統(tǒng)主要由移相電抗器L1、電容器組C1、電流互感器 TA、相復(fù)勵變壓器 TC1、整流器1V1等組成，其基本工作原理見圖6所示。

首先電抗器把發(fā)電機(jī)輸出三相電壓進(jìn)行移相，得到發(fā)電機(jī)空載勵磁電流分量送入相復(fù)勵變壓器，電流互感器得到負(fù)載電流的電流復(fù)勵分量，經(jīng)相復(fù)勵變壓器合成復(fù)勵分量再經(jīng)整流作為發(fā)電機(jī)勵磁機(jī)的勵磁。

相復(fù)勵變壓器的輸出交流電壓可以直接表示為機(jī)端電壓和電流的相量和。因此有：

圖6 相復(fù)勵系統(tǒng)原理圖

整流器采用三相全波橋式不可控整流，由于整流器輸入側(cè)交流電源通常具有感性電抗，二極管換相過程中存在換相壓降，該換相壓降與整流器直流側(cè)負(fù)載電流成正比關(guān)系，等效于在整流輸出直流電源和整流負(fù)載之間存在一個換相電抗。這樣整流器實際輸出電壓隨負(fù)載電流的增加會有所下降。因此，模型中需要考慮這種變化的影響?？紤]換相壓降后的整流器輸出電壓表示為[8,9]：

圖7 相復(fù)勵變壓器及整流器數(shù)學(xué)模型

相復(fù)勵勵磁雖然具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高的特點，但它的調(diào)壓精度不高，與發(fā)電機(jī)總體輸出電壓品質(zhì)要求有距離。因此在此基礎(chǔ)上再用分流式自動電壓調(diào)節(jié)器使發(fā)電機(jī)輸出電壓精度達(dá)到規(guī)定的要求。自動電壓調(diào)節(jié)器由電壓測量、電壓給定、PI調(diào)節(jié)、PWM調(diào)制器、驅(qū)動器、功率模塊組成，其原理框圖如圖8所示。

圖8 自動電壓調(diào)節(jié)器原理框圖

勵磁系統(tǒng)，特別是交流和直流勵磁系統(tǒng)都包含有具有較大時間延遲特性的組件，如果不采取補(bǔ)償措施，會導(dǎo)致勵磁系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性變差[10,11]。除非將勵磁系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)增益調(diào)到足夠低，否則采用機(jī)端電壓反饋的勵磁控制在發(fā)電機(jī)空載時難以穩(wěn)定運行。因此，需要增加勵磁穩(wěn)定器環(huán)節(jié)用于動態(tài)特性補(bǔ)償。勵磁穩(wěn)定器在物理上的實現(xiàn)可以是串聯(lián)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，也可以是反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)。最為常用的形式是微分反饋環(huán)節(jié)，如圖9所示。圖中，微分反饋環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)計原則是使得在某一頻率范圍內(nèi)由于勵磁系統(tǒng)組件時間延遲引起的相位移動得到最大的補(bǔ)償。

綜上所述，此次仿真中采用的自勵恒壓可控相復(fù)勵靜止勵磁系統(tǒng)模型框圖如圖10所示。

3 柴油發(fā)電機(jī)組仿真模型驗證

在 PSCAD中建立的柴油發(fā)電機(jī)組仿真模型如圖11所示。

圖9 微分反饋型勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定器

驗證柴油發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)的性能指標(biāo)，即驗證：1）當(dāng)三相平衡負(fù)載自滿載至空載，再自空載至滿載范圍均勻無急劇變化，發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率；2）當(dāng)發(fā)電機(jī)運行在額定轉(zhuǎn)速和接近額定電壓的空載狀態(tài)下，突加一個功率因子不超過0.4（滯后）、阻抗標(biāo)么值為2的三相平衡負(fù)載，此時發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)電壓調(diào)整率以及電壓恢復(fù)時間。由于 PSCAD中綜合負(fù)荷模型是不可控的，所以對均勻投切負(fù)荷的模擬采用按40%、30%、20%、10%多次投切負(fù)荷的形式進(jìn)行。

穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率驗證仿真時間為55 s，0～5 s內(nèi)發(fā)電機(jī)空載穩(wěn)定運行（EMTDC仿真中考慮發(fā)電機(jī)的起動過程）；5～25 s發(fā)電機(jī)的三相平衡負(fù)載自空載至滿載；25～30 s發(fā)電機(jī)滿載穩(wěn)定運行；30～50 s發(fā)電機(jī)的三相平衡負(fù)載自滿載至空載；50～55 s發(fā)電機(jī)空載運行，之后發(fā)電機(jī)空載穩(wěn)定運行。瞬態(tài)電壓調(diào)整率驗證仿真時間為10 s，在0～5 s發(fā)電機(jī)空載運行，5 s時突加一個功率因子為0.4（滯后）、阻抗標(biāo)么值為2的三相平衡負(fù)載。發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的仿真波形如圖12、13所示。

圖10 勵磁系統(tǒng)模型框圖

圖11 柴油發(fā)電機(jī)組仿真模型

圖12 發(fā)電機(jī)端電壓波形（均勻加減負(fù)載）

圖13 發(fā)電機(jī)端電壓波形（突加負(fù)載）

從仿真結(jié)果可以計算出穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率為0.5%，瞬態(tài)電壓調(diào)整率為6.84%。電壓允差帶 UN為1±%時，電壓恢復(fù)時間為0.79 s，可見該勵磁系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。

柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)性能即驗證機(jī)組的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率以及瞬態(tài)調(diào)速率。穩(wěn)態(tài)調(diào)速率仿真設(shè)計與穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率仿真類似。瞬態(tài)調(diào)速率仿真時間為45 s，t＝5 s前發(fā)電機(jī)空載運行，在t＝5 s時突加50%的負(fù)荷，t=15 s時突加負(fù)載使發(fā)電機(jī)的總負(fù)荷為80%，t=25 s時再突加20%的負(fù)荷使柴油發(fā)電機(jī)滿載運行，t=35 s時從滿載突減負(fù)荷至空載。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的仿真波形如圖14、15所示。

圖14 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波形（均勻加減負(fù)載）

圖15 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波形（突加突卸負(fù)載）

從仿真結(jié)果可以計算出穩(wěn)態(tài)調(diào)速率為 2.58%，瞬態(tài)調(diào)速率為3.2%，可見該調(diào)速系統(tǒng)同樣具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。

4 結(jié)論

船舶電力系統(tǒng)是多臺柴油發(fā)電機(jī)組組成的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的特性主要取決于柴油發(fā)電機(jī)組的控制特性，柴油發(fā)電機(jī)組的控制是船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的核心。船舶柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的特性將直接影響船舶電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量。通過柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)速及勵磁系統(tǒng)的控制可以明顯提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文針對柴油發(fā)電機(jī)組各組成部分分別建模分析，并最終通過PSCAD/EMTDC進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，本文所設(shè)計的柴油發(fā)電機(jī)組模型具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。

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