呂文超,畢大強(qiáng),呂飛鵬
船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真研究
呂文超1,畢大強(qiáng)2,呂飛鵬1
(1. 四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院,成都市 610065;2.電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,清華大學(xué)電機(jī)系,北京 100084)
關(guān)注燃?xì)廨啓C(jī)電氣外特性,忽略其內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)和熱力循環(huán),采用模塊化建模方法建立了船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)完整的數(shù)學(xué)模型,其中包括整流逆變模型、推進(jìn)電機(jī)及螺旋槳負(fù)載模型。通過(guò)Simulink仿真,重點(diǎn)研究系統(tǒng)啟動(dòng)性能及動(dòng)態(tài)特性;并對(duì)負(fù)載類(lèi)型的影響以及三相短路故障進(jìn)行了分析。結(jié)果表明該模型能夠反映實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性,為研究船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制及多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。
船舶電力系統(tǒng) 燃?xì)廨啓C(jī) 推進(jìn)電機(jī) 建模仿真
全電力推進(jìn)已成為當(dāng)今船舶動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展方向[1-2],其中原動(dòng)機(jī)是電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件。現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)作為原動(dòng)機(jī),以其機(jī)動(dòng)性好、重量輕等優(yōu)點(diǎn),在船舶全電力推進(jìn)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[3-5]。船舶電力系統(tǒng)作為發(fā)電、輸配電、用電緊密結(jié)合的獨(dú)立電力系統(tǒng),推進(jìn)電機(jī)容量堪比發(fā)電機(jī)容量,動(dòng)態(tài)負(fù)荷比重大,容易出現(xiàn)穩(wěn)定性問(wèn)題,研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性時(shí)必須考慮原動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)作用,有必要對(duì)船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真研究。
目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)建模仿真的研究很少?,F(xiàn)有的船用燃?xì)廨啓C(jī)建模多基于熱動(dòng)力學(xué)原理[6-7],側(cè)重研究燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部化學(xué)過(guò)程,不適用于船舶電力系統(tǒng)的仿真研究。在微電網(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)建模仿真研究方面,文獻(xiàn)[8]把微型燃?xì)廨啓C(jī)及電氣部分當(dāng)作一個(gè)整體,建立了微型燃?xì)廨啞l(fā)電機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,研究了微型燃?xì)廨啓C(jī)和逆變器的基本控制策略,以及負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性;文獻(xiàn)[9]考慮基本的恒壓頻比控制和PQ控制,建立了微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的整體模型,采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)逆變器,在動(dòng)態(tài)負(fù)荷條件下對(duì)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真,分析了微型燃?xì)廨啓C(jī)與電力電子變流裝置及負(fù)荷之間的相互影響。微網(wǎng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)主要有孤島運(yùn)行和并入大電網(wǎng)兩種方式,所帶高速永磁發(fā)電機(jī)容量很小,與船舶電力系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)存在較大差異。
本文以適用于重載燃?xì)廨啓C(jī)的Rowen模型為基礎(chǔ)[10],忽略?xún)?nèi)部復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和熱力循環(huán),僅關(guān)注模型所表現(xiàn)的電氣外特性,采用模塊化方法建立了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)模型及其控制策略。此外,還建立了整流逆變、推進(jìn)電機(jī)及螺旋槳模型。以上述模型為基礎(chǔ),對(duì)船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷特性、推進(jìn)電機(jī)的各種運(yùn)行工況進(jìn)行了仿真研究。
船用燃?xì)廨啓C(jī)控制模型如圖1所示,主要包含轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、加速控制等部分。三個(gè)控制環(huán)節(jié)分別產(chǎn)生三種燃料參考指令,通過(guò)低選模塊,確定輸入到燃燒室的燃料流量。
圖1 船用燃?xì)廨啓C(jī)控制模型
在船舶電力系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行中,轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的最基本方法。無(wú)差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)只能用于燃?xì)廨啓C(jī)孤立發(fā)電時(shí),當(dāng)用于并網(wǎng)發(fā)電時(shí)必須應(yīng)用有差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)變化,調(diào)整轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的偏差,從而改變輸出的燃料值,最終達(dá)到調(diào)整負(fù)荷的目的。本文采用有差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),其傳遞函數(shù)式為
燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí),需要對(duì)排氣溫度進(jìn)行控制使整個(gè)系統(tǒng)獲得最優(yōu)性能,這就需要通過(guò)調(diào)節(jié)壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉安裝角度來(lái)實(shí)現(xiàn),IGV控制器輸出其角度信號(hào)到其執(zhí)行機(jī)構(gòu)(一個(gè)慣性環(huán)節(jié)),執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成改變IGV角度的任務(wù)。IGV調(diào)節(jié)也是一個(gè)比例積分調(diào)節(jié)器(PI),即
加速度控制系統(tǒng)的主要作用是在燃?xì)廨啓C(jī)突然甩負(fù)荷時(shí)抑制動(dòng)態(tài)超速,以減少對(duì)熱部件的沖擊。轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)微分環(huán)節(jié),計(jì)算實(shí)際加速度,然后將此加速度與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較,得出的偏差輸入到加速度控制器(也為一個(gè)比例積分調(diào)節(jié)器)其傳遞函數(shù)模型如圖2所示。
圖2 加速度控制模型
比例積分的結(jié)果產(chǎn)生加速度燃料基準(zhǔn)。當(dāng)實(shí)際加速度大于加速度給定值時(shí),積分的結(jié)果減少燃料量,限制加速度的升高。
燃?xì)廨啓C(jī)在沒(méi)有負(fù)荷的情況下,為了維持正常的運(yùn)行需要燃料量占了額定燃料量很大的比重,本論文取23%的額定燃料量作為微型燃?xì)廨啓C(jī)的基荷。
此外,限幅環(huán)節(jié)的最大值限制作為轉(zhuǎn)速、加速度和溫度三者控制輸出的上限;而最小值限制則是為了確保有足夠的燃料流量使燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒系統(tǒng)正常工作。
圖1所示燃料控制系統(tǒng)中,門(mén)閥定位器(Loctor)與燃料制動(dòng)器(Breaker)的傳遞函數(shù)為:
壓縮機(jī)—渦輪系統(tǒng)中,渦輪轉(zhuǎn)矩輸出函數(shù)f為
式中:W為燃料流量信號(hào)(標(biāo)幺值);為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(標(biāo)幺值)。排氣溫度函數(shù)f為
整流器作用就是把由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電流轉(zhuǎn)化為直流,這里采用12脈波整流器,其詳細(xì)模型在文獻(xiàn)[11]中有闡述。逆變器的作用是接受整流器輸出的直流,并將其逆變成所需頻率的交流電。船舶電力系統(tǒng)作為一個(gè)孤立的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行,可以通過(guò)控制逆變器來(lái)控制負(fù)荷的電壓及頻率,而有功和無(wú)功輸出則根據(jù)負(fù)荷的需要自動(dòng)的調(diào)整;當(dāng)該系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí),由于電網(wǎng)的電壓和頻率是一定的,因此采用定功率控制可以控制其與電網(wǎng)的功率交換。本文研究燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的電力網(wǎng)絡(luò)時(shí)的情況,逆變器采用PWM調(diào)制方法,使得逆變器出口的電壓保持在660 V(電動(dòng)機(jī)額定電壓)。整流逆變環(huán)節(jié)模型如圖3所示。
圖3 整流逆變環(huán)節(jié)模型
船舶電力系統(tǒng)區(qū)別于分布式發(fā)電系統(tǒng)的突出特點(diǎn)為螺旋槳負(fù)載特性。船舶推進(jìn)模型中的推進(jìn)電機(jī)、螺旋槳和船體三個(gè)部分共同構(gòu)成船機(jī)槳系統(tǒng)[12]。螺旋槳負(fù)載特性指它的轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線。船舶在靜水中航行(自由航行)時(shí),僅考慮推進(jìn)裝置的回轉(zhuǎn)部分運(yùn)動(dòng)和船的直線運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng),它們相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程為
系泊特性是滿載的船舶在航速等于零時(shí),所得到螺旋槳阻力轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系
建立螺旋槳負(fù)載時(shí)認(rèn)為螺旋槳轉(zhuǎn)速與推進(jìn)電機(jī)相同,若二者有變速機(jī)構(gòu)可取
K表示螺旋槳與推進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比。
按照?qǐng)D3所示的船用燃?xì)廨啓C(jī)電力系統(tǒng)示意圖,在Simulink平臺(tái)下搭建上述模型,對(duì)船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程、動(dòng)態(tài)特性、負(fù)荷類(lèi)型的影響以及三相短路故障工況分別做了仿真研究。
圖3 船用燃?xì)廨啓C(jī)電力系統(tǒng)示意圖
圖4 推進(jìn)電機(jī)帶螺旋槳負(fù)載啟動(dòng)轉(zhuǎn)速波形
研究燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性,采用分級(jí)加載,一級(jí)卸載的方式,即初始空載狀況下分別增加40%、30%、30%負(fù)載(功率因數(shù)0.8),待穩(wěn)定后突卸100%負(fù)載,記錄仿真波形如圖7所示。
圖5 直流母線電壓
圖6 推進(jìn)電機(jī)端電壓(工頻)
圖7 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速變化
由圖7可見(jiàn),空載時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速為1.0072;負(fù)載增加40%時(shí),轉(zhuǎn)速下降至0.9955;繼續(xù)增加負(fù)荷至額定時(shí),轉(zhuǎn)速下降至0.9777,并維持穩(wěn)定,突卸全部負(fù)荷時(shí),轉(zhuǎn)速恢復(fù)至額定轉(zhuǎn)速,穩(wěn)定時(shí)間,整個(gè)過(guò)程轉(zhuǎn)速雖有波動(dòng),始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近。瞬態(tài)調(diào)速率δ,穩(wěn)態(tài)調(diào)速率δ分別計(jì)算如下:
參考GJB4000-2000中燃?xì)廨啓C(jī)性能要求,見(jiàn)表1。δ、δ、、均滿足要求。
船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)多負(fù)載類(lèi)型的復(fù)雜電力系統(tǒng),等效RLC負(fù)載通常占系統(tǒng)總負(fù)荷的30%,推進(jìn)電機(jī)負(fù)載約為70%。本文研究負(fù)了荷類(lèi)型對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)性能的影響,如圖8所示。
表1 燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)速性能要求
圖8 不同負(fù)載燃?xì)廨啓C(jī)輸出轉(zhuǎn)矩
可見(jiàn),當(dāng)全部為等效RLC負(fù)載時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn);當(dāng)70%為推進(jìn)電機(jī)負(fù)載時(shí),啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了瞬時(shí)超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩1.2倍的情況,可見(jiàn)不同負(fù)載類(lèi)型船舶電力系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程影響較大。
三相短路是船舶電力系統(tǒng)可能發(fā)生的最嚴(yán)重的故障形式,在發(fā)電機(jī)端模擬三相短路故障:1 s時(shí)刻發(fā)生故障,1.08 s將其切除,記錄燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖9所示。
圖9 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速
可見(jiàn),故障發(fā)生時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速迅速有跌落趨勢(shì),故障瞬間被切除,轉(zhuǎn)速依然可以恢復(fù)穩(wěn)定,且整個(gè)過(guò)程轉(zhuǎn)速始終保持在額定值附近,說(shuō)明所建燃?xì)廨啓C(jī)模型有較好的調(diào)速能力,且為后續(xù)研究多機(jī)并聯(lián)穩(wěn)定性問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。
本文將燃?xì)廨啓C(jī)及其電氣部分當(dāng)作一個(gè)整體,建立了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)完整的數(shù)學(xué)模型。仿真結(jié)果表明:燃?xì)廨啓C(jī)按照給定的轉(zhuǎn)速,通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、加速度調(diào)節(jié)三種方式控制燃料流量,從而保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定值,其穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)調(diào)速率、穩(wěn)定時(shí)間和轉(zhuǎn)速波動(dòng)率性能指標(biāo)均達(dá)到GJB要求。根據(jù)推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速推算出螺旋槳轉(zhuǎn)矩,可有效的模擬船舶的系泊特性,體現(xiàn)了船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷特點(diǎn)。模擬三相短路證明了調(diào)速系統(tǒng)有良好的調(diào)速能力,可有效穩(wěn)定燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速。整個(gè)建模過(guò)程為進(jìn)一步研究船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制以及并網(wǎng)研究奠定了基礎(chǔ)。
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Modeling and Simulation of Gas Turbine Generation System for Shipboard Power System
Luv Wenchao1, Bi Daqiang2, Luv Feipeng1
(1.School of Electrical Engineering & Information,Sichuan University, Chengdu 610065, China;2.State Key Lab of Power System, Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijng 100084, China)
TP391.9 U664.131
A
1003-4862(2014)08-0013-05
2013-03-11
呂文超(1986-),男,碩士研究生。研究方向:船舶電力系統(tǒng)。