王賀春，王玥，徐榮，胡松

（1.哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平713105）

核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組加載過程建模與仿真

王賀春1，王玥1，徐榮2，胡松1

（1.哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平713105）

為了減少核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的開發(fā)時(shí)間及成本，并滿足核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的多種變負(fù)荷加載的仿真計(jì)算，建立了基于GT?power與Matlab／Simulink的聯(lián)合仿真環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)核電站反應(yīng)堆安全停堆的負(fù)荷特性建立了某柴油發(fā)電機(jī)組的瞬態(tài)仿真模型，提出了核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的增量式PID控制方案，進(jìn)行了柴油機(jī)突加、突減負(fù)載的瞬態(tài)仿真計(jì)算，預(yù)測了柴油機(jī)在加載過程中的轉(zhuǎn)速、噴油量、齒條位置等參數(shù)的變化。將仿真計(jì)算的結(jié)果與MAN公司的仿真結(jié)果進(jìn)行了對比分析，對比結(jié)果表明所建立的聯(lián)合仿真模型具有一定的準(zhǔn)確性及良好的動態(tài)特性。

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組；GT?power；Matlab／Simulink；PID；瞬態(tài)仿真

核電站遇到突發(fā)事件時(shí)，需要迅速啟動柴油應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，對整個(gè)核電廠應(yīng)急供電，使核反應(yīng)堆保持在安全狀態(tài)或及時(shí)冷卻停堆。近年我國核電事業(yè)有了很大的發(fā)展，但應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組卻大部分依賴進(jìn)口，國產(chǎn)項(xiàng)目尚處于交機(jī)階段，未來具有很大的發(fā)展空間。應(yīng)急發(fā)電機(jī)組應(yīng)具備在短時(shí)間內(nèi)起動，并達(dá)到加載反應(yīng)堆停堆所需的全部負(fù)載的能力，同時(shí)要保證發(fā)電機(jī)終端電壓和頻率的穩(wěn)定，這對柴油機(jī)的加載過程中的負(fù)載變化響應(yīng)提出了嚴(yán)格的要求。由于核電應(yīng)急發(fā)電機(jī)組在研發(fā)過程中無法進(jìn)行啟動和加載試驗(yàn)，并且又對啟動和加載時(shí)間有著嚴(yán)格的要求，準(zhǔn)確的仿真就顯得尤為必須和重要［1?3］。

Matlab／Simulink建立的調(diào)速控制系統(tǒng)模型具有簡便、靈活、控制能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且能夠快速準(zhǔn)確的建立應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的多種變負(fù)荷加載模型，但是基于Matlab／Simulink的柴油機(jī)整機(jī)模型程序復(fù)雜，開發(fā)時(shí)間長，而且進(jìn)行了諸多假設(shè)，有些只能夠反映發(fā)動機(jī)部分參數(shù)在控制策略執(zhí)行時(shí)的變化趨勢。而GT?power是進(jìn)行發(fā)動機(jī)仿真的專業(yè)軟件，由該軟件建立的發(fā)動機(jī)模型基本能夠全面反映發(fā)動機(jī)的性能，同時(shí)可以大大降低整個(gè)仿真系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間及成本。因此，本文對應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的瞬態(tài)加載過程進(jìn)行了基于GT?power與Matlab／Simulink的聯(lián)合仿真［4］。

1 柴油機(jī)模型

GT?power是由Gamma Technologies公司開發(fā)的具有發(fā)動機(jī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模擬仿真軟件，它是基于管內(nèi)一維流動和缸內(nèi)容積法進(jìn)行分析計(jì)算的，可以較為準(zhǔn)確的模擬不同工況下發(fā)動機(jī)的性能變化。本文應(yīng)用GT?power軟件對某柴油機(jī)進(jìn)行建模仿真，該機(jī)為四沖程、18缸、雙廢氣渦輪增壓器帶中冷器、MPC排氣管。該柴油機(jī)的整機(jī)仿真模型如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)的GT?power整機(jī)模型Fig.1 Diesel engine model based on GT?power

2 調(diào)速器及負(fù)載加載模型

柴油機(jī)調(diào)速器及負(fù)載加載模型利用Matlab／Simulink軟件建立。Simulink是一種基于Matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)［5］。

2.1 調(diào)速器控制模型

調(diào)速器模型簡化為PID模型和噴油量模型，本文采用的調(diào)速器模型示意圖如圖2所示。根據(jù)期望轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，經(jīng)PID整定求解得到柴油機(jī)的噴油泵齒條位置R。噴油量模型是根據(jù)噴油特性曲線換算成柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和齒條位置的二維數(shù)組m＝f（n，R），查表求得實(shí)際循環(huán)噴油量m。

圖2 調(diào)速器模型流程圖Fig.2 The flow chart of speed controller model

PID控制器是根據(jù)誤差的比例、積分和微分進(jìn)行控制，由于該仿真模型龐大，瞬態(tài)加載過程多，而傳統(tǒng)位置式PID控制的輸出與整個(gè)過去的狀態(tài)有關(guān)，用到了誤差的累加值，在仿真計(jì)算后期，誤差的累加會對系統(tǒng)的運(yùn)算有很大影響；增量式PID的輸出只與當(dāng)前和前兩步的誤差有關(guān)，且執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有記憶功能，在微小誤差下仍可保持原位，因此本模型調(diào)速系統(tǒng)使用增量式PID［6?10］。增量式PID數(shù)學(xué)模型為

式中：R（k）為控制系統(tǒng)輸出，e（k）為期望值與實(shí)際值之間的控制誤差，Kp為比例增益，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。

2.2 負(fù)載加載模型

在應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的瞬態(tài)仿真中，要通過數(shù)學(xué)模型來代替實(shí)際中電感負(fù)載的負(fù)荷變化。在整個(gè)加載過程中，應(yīng)用負(fù)載系數(shù)，在已知的定負(fù)荷基礎(chǔ)上，使負(fù)載隨時(shí)間以如圖3所示曲線的趨勢變化。負(fù)載系數(shù)的數(shù)學(xué)模型為

式中：k對應(yīng)圖3中的橫坐標(biāo)，代表仿真時(shí)間t與每步加載用時(shí)T（3 s）的比值，P（k）對應(yīng)圖3中的縱坐標(biāo)，為實(shí)際負(fù)載P與已知定負(fù)荷Pn的比值，即負(fù)載系數(shù)。通過將每步加載的已知定負(fù)荷與不同時(shí)刻對應(yīng)的負(fù)載系數(shù)相乘，即可求得對應(yīng)時(shí)刻的實(shí)際負(fù)載，以某種工作狀態(tài)下的結(jié)果進(jìn)行加載如圖4所示。

圖3 負(fù)載系數(shù)變化曲線Fig.3 The curves of load factor

圖4 負(fù)載加載結(jié)果Fig.4 The curves of load results

3 聯(lián)合仿真平臺的建立

GT?power與Simulink的耦合是通過GT?power中的控制模塊實(shí)現(xiàn)的，其中包括SimulinkHarness、SensorConn（傳感器）、ActuatorConn（執(zhí)行器）。該GT?power模型中的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、進(jìn)排氣溫度、壓力等信號通過SensorConn連接到SimulinkHarness上，并傳送至Simulink模型中，轉(zhuǎn)速信號通過PID整定得到齒條位置信號，然后根據(jù)齒條位置及轉(zhuǎn)速查表可得到每缸每循環(huán)噴油量，柴油機(jī)輸出功率、進(jìn)氣溫度、排氣溫度等信號則直接輸送到Matlab的工作空間，這樣可以方便的保存計(jì)算結(jié)果；負(fù)載及調(diào)速器中的每缸每循環(huán)噴油量作為輸出信號由Simulink模型傳送至SimulinkHarness，并經(jīng)過ActuatorConn分別施控于GT?power模型中的扭矩模塊及噴油器模塊。其模塊關(guān)系圖如圖5所示。

在進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算時(shí)，該柴油機(jī)的GT?power模型相當(dāng)于Simulink模型中的一個(gè)S函數(shù)動態(tài)模塊，數(shù)據(jù)通過SimulinkHarness模塊傳遞。在GT?power中的信號反饋到Simulink之前，GT?power模型進(jìn)行一次計(jì)算，Simulink模型中的參數(shù)在每個(gè)采樣周期被讀取一次，并通過函數(shù)的調(diào)用傳遞到GT?power模型中。聯(lián)合仿真模型如圖6所示。

圖5 聯(lián)合仿真模塊關(guān)系圖Fig.5 The module relation chart of co?simulation

圖6 聯(lián)合仿真模型Fig.6 The model of co?simulation

4 仿真結(jié)果分析

4.1 仿真計(jì)算結(jié)果

在應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)聯(lián)合仿真平臺建立以后，對仿真計(jì)算方法和仿真時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，然后進(jìn)行計(jì)算。以圖4所示的負(fù)載進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完成后，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速曲線、每缸每循環(huán)噴油量、噴油泵齒條位置、進(jìn)氣壓力、柴油機(jī)輸出功率等數(shù)據(jù)保存在Matlab工作空間中，在使用GT?power對柴油機(jī)進(jìn)行仿真時(shí)，按每一循環(huán)進(jìn)行計(jì)算，打開GT?power的運(yùn)行結(jié)果GT?post，可以查看運(yùn)行結(jié)束時(shí)所有模塊的最后一循環(huán)的各參數(shù)狀態(tài)，其結(jié)果分別如圖7～圖11所示。圖12和圖13為加載穩(wěn)定后柴油機(jī)缸內(nèi)壓力與缸內(nèi)溫度曲線。

從圖4負(fù)載的加載結(jié)果及圖7的轉(zhuǎn)速變化曲線可以看出，在2、7、12、…、37、42 s突加負(fù)載，每步的加載時(shí)間為3 s，轉(zhuǎn)速在突加負(fù)載時(shí)突降，然后經(jīng)過調(diào)速器調(diào)整，噴油量升高，轉(zhuǎn)速回升，由于在每步加載后期，負(fù)載的增長率越來越大，由于調(diào)速器滯后于負(fù)載的變化，此時(shí)轉(zhuǎn)速又略有下降；在4.85、9.85、14.85、…、39.85、44.85 s負(fù)載突降，轉(zhuǎn)速突升，經(jīng)調(diào)速器調(diào)整后噴油量降低，轉(zhuǎn)速回降；從圖4和圖11可以看出柴油機(jī)的輸出功率和負(fù)載的變化響應(yīng)一致。由此可見，在此種負(fù)荷特性下，應(yīng)急柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、噴油量、輸出功率均有較好動態(tài)響應(yīng)。

圖7 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.7 The curves of rotation speed

圖8 噴油泵齒條位置變化曲線Fig.8 The curves of fuel rack position

圖9 每缸每循環(huán)噴油量變化曲線Fig.9 The curves of fuel injection quantity

圖10 進(jìn)氣壓力變化曲線圖Fig.10 The curves of intake pressure

圖11 柴油機(jī)輸出功率變化曲線Fig.11 The curves of engine power

圖12 示功圖Fig.12 The indicator diagram

圖13 缸內(nèi)溫度變化曲線Fig.13 The curves of temperature in cylinder

4.2 仿真計(jì)算結(jié)果對比分析

為了驗(yàn)證所建立的瞬態(tài)模型的準(zhǔn)確性及實(shí)用性，將仿真計(jì)算結(jié)果與MAN公司在相同負(fù)載下的仿真結(jié)果進(jìn)行了對比。圖14為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化對比曲線圖。

圖14 仿真結(jié)果與MAN公司計(jì)算的轉(zhuǎn)速變化對比Fig.14 The contrast curve of rotation speed betweenthis model and MAN

轉(zhuǎn)速瞬態(tài)調(diào)整率和穩(wěn)定時(shí)間是應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的重要電氣性能指標(biāo)。通過圖14的對比分析可知，2種結(jié)果的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化趨勢一致，不同的是每步加載過程中柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動的幅度及加載后轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定時(shí)間。在每步的突加、突減負(fù)載時(shí)，該模型仿真計(jì)算的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降或上升幅度均小于MAN公司的仿真結(jié)果，所以轉(zhuǎn)速瞬態(tài)調(diào)整率就更小，轉(zhuǎn)速回穩(wěn)速度更快，波動也更小，轉(zhuǎn)速曲線更平滑穩(wěn)定，顯示了更好的調(diào)速特性；在最后兩步加載后，其轉(zhuǎn)速分別于37、47 s恢復(fù)穩(wěn)定，而后者在37.7、47.7 s恢復(fù)穩(wěn)定，本模型計(jì)算的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間略優(yōu)于MAN公司仿真結(jié)果。綜上可知，該聯(lián)合仿真平臺所建立的模型具有一定的準(zhǔn)確性，且動態(tài)響應(yīng)特性略優(yōu)。

4 結(jié)論

1）建立了核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在GT?power與Matlab／Simulink的聯(lián)合仿真環(huán)境下的瞬態(tài)模型，能夠利用專業(yè)的柴油機(jī)仿真模型和靈活的控制方式，對核電應(yīng)急柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組在多種變負(fù)荷加載時(shí)進(jìn)行仿真計(jì)算。

2）將計(jì)算結(jié)果與MAN公司的仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了該聯(lián)合仿真模型的準(zhǔn)確性，表明了該模型具有更好的動態(tài)響應(yīng)特性，能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速、噴油量、輸出功率等參數(shù)的變化。

3）該仿真平臺的柴油機(jī)模型采用了非線性的GT?power模型，柴油機(jī)性能參數(shù)計(jì)算完整、可信，仿真計(jì)算結(jié)果能夠模擬在瞬態(tài)加載過程中柴油機(jī)的參數(shù)變化，為柴油機(jī)的選型、調(diào)整提供依據(jù)。

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Transient modeling and simulation of nuclear emergency diesel generators during the loading process

WANG Hechun1，WANG Yue1，XU Rong2，HU Song1

（1.College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 15000，China；2.Shaanxi Diesel Engine Heavy Industry Co.，Ltd.，Xingping 713105，China）

In order to reduce the development time and costs，and to meet the demands of simulation for variable load loading of nuclear emergency diesel generator sets，a co?simulation environment based on GT?power and Mat?lab／Simulink is built，which is the basis of the establishment for the transient simulation model of a diesel engine according to load characteristics of the nuclear power plant reactor safety shutdown，and the incremental PID control scheme of nuclear emergency diesel generator sets in the speed control system is presented at the same time.The change of parameters such as rotation speed，fuel injection quantity and the rack position is predicted through the simulation of loading on the diesel engine at different times，and the comparison between calculation results and MAN Diesel and Turbo illustrates that this simulation model is practicable and good in dynamic characteristics.

emergency diesel generator set；GT?power；Matlab／Simulink；PID；transient simulation

10.3969／j.issn.1006?7043.201403023

TK422

：A

：1006?7043（2015）06?0784?05

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.u.20150428.0852.003.html

2014?03?09.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015?04?28.

工信部基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目（4010103010402）.

王賀春（1979?），男，講師，博士.

王賀春，E?mail：wanghechun＠hrbeu.edu.cn.