貢正

摘 要：文章基于民航空管臺(tái)站應(yīng)急電源保障的實(shí)際情況，并針對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的維護(hù)培訓(xùn)工作所存在的不足，旨在開發(fā)一套基于MATLAB平臺(tái)的柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行及性能仿真的應(yīng)用軟件，利用MATLAB及SIMULINK的強(qiáng)大功能建立一套柴油發(fā)電機(jī)組的簡化模型，從而初步實(shí)現(xiàn)一套柴油發(fā)電機(jī)組仿真模擬系統(tǒng)，將其應(yīng)用在空管動(dòng)力專業(yè)的系統(tǒng)培訓(xùn)中。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)電機(jī)組；性能仿真；機(jī)組模型；MATLAB；SIMULINK；

中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）20-0077-03

1 概 述

隨著民用航空空管設(shè)備技術(shù)的迅猛發(fā)展，柴油發(fā)電機(jī)組作為民航常用動(dòng)力應(yīng)急設(shè)備，已成為保障民航空管設(shè)備供電穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)，日益朝著精密化、高度自動(dòng)化方向發(fā)展，柴油發(fā)電機(jī)組的工作性能不斷改善，一方面，這極大地提高了空管設(shè)備電源供電的可靠性，降低了運(yùn)行成本和風(fēng)險(xiǎn)。但另一方面，一旦空管設(shè)備急需應(yīng)急電源保障而柴油發(fā)電機(jī)組的某一個(gè)環(huán)節(jié)卻發(fā)生了故障，這往往會(huì)造成空管設(shè)備電源中斷，從而導(dǎo)致流量管制、航班大面積延誤，甚至可能危及人身安全，后果不堪設(shè)想。

目前，柴油發(fā)電機(jī)組由空管動(dòng)力技術(shù)人員負(fù)責(zé)日常維護(hù)以及故障排查等工作，技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平參差不齊，且正處于一個(gè)新老交替的階段，因而技術(shù)保障部門對(duì)青年員工的培訓(xùn)工作非常重視。對(duì)于空管系統(tǒng)的培訓(xùn)工作而言，基于行業(yè)的特殊性，一直存在著一個(gè)問題，即無法為員工提供足夠的實(shí)踐機(jī)會(huì)，空管設(shè)備一旦投入使用，未經(jīng)過批復(fù)不允許擅自啟動(dòng)或停機(jī)，而柴油發(fā)電機(jī)組一直處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)（即當(dāng)市電中斷時(shí)，機(jī)組將立即啟動(dòng)，經(jīng)過自動(dòng)切換開關(guān)切換后，為設(shè)備輸送應(yīng)急電源），學(xué)習(xí)研究機(jī)組運(yùn)行性能、掌握機(jī)組結(jié)構(gòu)及故障分析的機(jī)會(huì)十分有限，長此以往將造成空管動(dòng)力人員技術(shù)水平青黃不接的尷尬局面。因此，急需開發(fā)一套柴油發(fā)電機(jī)組的仿真平臺(tái)以解決當(dāng)前所面臨的問題。

2 MATLAB及其功能

要開發(fā)一套關(guān)于柴油發(fā)電機(jī)組的仿真平臺(tái)，可以通過MATLAB這款仿真軟件來實(shí)現(xiàn)。MATLAB軟件功能強(qiáng)大且易于上手，友好的人機(jī)界面及人性化的設(shè)置可幫助工程技術(shù)人員開發(fā)符合設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)性能仿真的圖形化顯示。

2.1 MATLAB平臺(tái)

MATLAB軟件在這個(gè)時(shí)代給予工程技術(shù)人員、科研人員一個(gè)應(yīng)用的平臺(tái)。在MATLAB搭建好數(shù)值計(jì)算和圖形處理平臺(tái)之后，在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也應(yīng)運(yùn)而生，其強(qiáng)大的擴(kuò)展功能能夠?yàn)殡娏こ填I(lǐng)域提供分析和設(shè)計(jì)的新平臺(tái)，現(xiàn)今MATLAB軟件已經(jīng)推出了電力系統(tǒng)仿真工具箱、控制系統(tǒng)工具箱、信號(hào)處理工具箱等，在電力系統(tǒng)方面的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。

以前的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)往往局限了研究人員自己進(jìn)行建模和仿真，而在MATLAB涉及電力系統(tǒng)仿真方面以后，憑借其自身的技術(shù)以及電力領(lǐng)域的專家，開發(fā)了上述這些功能強(qiáng)大的工具箱，提供了齊全的分析手段和數(shù)據(jù)處理方式。此外，最新版本的MATLAB已經(jīng)為研究人員提供了友好的界面，這使得技術(shù)人員和研究人員不僅能獲得各類工程問題的解決方案，還能更輕松簡單地使用這些技術(shù)。[1]

2.2 SIMULINK及其工具

SIMULINK是基于MATLAB的圖形化仿真設(shè)計(jì)環(huán)境。確切地說，它是MATLAB提供的對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。它使用圖形化的系統(tǒng)模塊對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行描述，并在此基礎(chǔ)上采用MATLAB計(jì)算引擎對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行求解。

此外，SIMULINK提供了友好的圖形用戶界面（GUI），模型由模塊組成的框圖來表示，用戶通過簡單的鼠標(biāo)操作就能夠完成建模。[1]

本文所設(shè)計(jì)的柴油發(fā)電機(jī)組性能仿真模型就是基于SIMULINK的工具箱。

3 柴油發(fā)電機(jī)組的建模

柴油發(fā)電機(jī)組由柴油機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)組成。柴油機(jī)為發(fā)電機(jī)提供原動(dòng)力，而調(diào)速系統(tǒng)通過檢測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)速從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)柴油機(jī)輸出動(dòng)力的大小，構(gòu)成了轉(zhuǎn)速的閉環(huán)系統(tǒng)，在一定負(fù)載范圍內(nèi)保證發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定以及電壓的頻率穩(wěn)定。 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)則通過檢測(cè)發(fā)電機(jī)端電壓和負(fù)載電流調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小，從而構(gòu)成了電壓的閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)其輸出無功功率，保證發(fā)電機(jī)的輸出電能的質(zhì)量。

3.1 柴油機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)的建模

柴油機(jī)是柴油發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力部分，它是在恒定的轉(zhuǎn)速下工作的，對(duì)于柴油機(jī)的調(diào)速器應(yīng)具備良好的穩(wěn)定性，且轉(zhuǎn)速具有可調(diào)性。由于柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出電流隨著負(fù)載的變化而變化，其功率和轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如式（1）所示：

T=9 550 P/n（1）

式中：T-轉(zhuǎn)矩（N）；P-功率（kW）；n-轉(zhuǎn)速（r/min）。

為了使柴油機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速在負(fù)載變化的情況下穩(wěn)定，本文調(diào)速系統(tǒng)采用電子調(diào)速器以保證柴油機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。電子調(diào)速器一般由控制器、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行器和轉(zhuǎn)速傳感器四個(gè)部分組成。調(diào)速系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)框圖，如圖2所示[2]。

通過給定轉(zhuǎn)速與負(fù)載變化下的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入給PID控制器，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的目的。

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，柴油機(jī)組的運(yùn)動(dòng)方程式如式（2）所示：

J+Ktwg=Md-Mc（2）

式中：J—機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量總和）；wg—柴油機(jī)曲軸角速度；K—阻尼系數(shù)；p—發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)；Md—柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Mc—柴油機(jī)阻力矩。

柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Md在運(yùn)行中，主要是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n和電子調(diào)速器輸出軸位移L的函數(shù)，即Md=f（n，L），而發(fā)電機(jī)阻力矩Mc是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n和發(fā)電機(jī)負(fù)載功率P2的函數(shù)，即Mc=f（n，P2）。[2]柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型就是在上述函數(shù)的基礎(chǔ)上，代入發(fā)電機(jī)的功角特性方程，如式（3）所示；

式中：Pe—發(fā)電機(jī)輸出電磁功率；m—相數(shù)；E0—發(fā)電機(jī)空載相數(shù)；U1—端電壓；Xd—發(fā)電機(jī)同步電抗；θ—功率角；Xq—發(fā)電機(jī)q軸電抗。

經(jīng)過代入整理，并對(duì)最終式子進(jìn)行拉普拉斯變換后，可得柴油機(jī)的傳遞函數(shù)如式（4）所示：

式中：a=（Mdmax柴油機(jī)的最大扭矩值，Lmax電子調(diào)速器輸出軸的最大行程值）；Ka=（Ka為一階調(diào)節(jié)系數(shù)）；Kb=-Kn（Kb為常數(shù)調(diào)節(jié)系數(shù)，Kn為每個(gè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)段的阻尼系數(shù)K的不同取值）

同理可推導(dǎo)出PID控制器的傳遞函數(shù)G1（s）、轉(zhuǎn)速傳感器的傳遞函數(shù)G2（s）以及執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)G3（s）如式（5）、式（6）和式（7）所示[2]：

式中：kb—比例系數(shù)；Ti—積分時(shí)間常數(shù)；Td—微分時(shí)間常數(shù)；

式中：Uf—直流電壓輸出信號(hào)。

式中：L（s）—機(jī)械位移信號(hào)；K3—該環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)；T3—該環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。

綜上所述，可得柴油機(jī)系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。

3.2 同步發(fā)電機(jī)的建模

同步發(fā)電機(jī)是發(fā)電機(jī)組的重要元件，建立起合適的同步發(fā)電機(jī)模型可以提高仿真精度的準(zhǔn)確性，并且能夠如實(shí)反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程。MATLAB中已具有多種完備的同步發(fā)電機(jī)模型，在此基礎(chǔ)上建立一個(gè)合適準(zhǔn)確的同步發(fā)電機(jī)模型就要取決于實(shí)際所用機(jī)組的類型以及電磁過渡及機(jī)電過渡過程的相關(guān)參數(shù)。

本文在建立同步發(fā)電機(jī)模型時(shí)，以理想狀態(tài)為模型基礎(chǔ)，即忽略磁滯的影響、忽略磁飽和的影響，且電磁場(chǎng)的分布是理想的。

在MATLAB的SimPowerSystems工具中，同步發(fā)電機(jī)的模型已考慮了發(fā)電機(jī)定子、勵(lì)磁和阻尼繞組的動(dòng)態(tài)行為，因此本文所研究的同步發(fā)電機(jī)直接采用了MATLAB器件庫中的三相同步發(fā)電機(jī)pu unit模塊作為研究對(duì)象，該模型忽略了電樞反應(yīng)電感、勵(lì)磁和阻尼繞組的漏感，由理想電壓源串聯(lián)RL線路構(gòu)成，電阻R和電感L值等效為電機(jī)的內(nèi)部阻抗，其數(shù)值可在模型內(nèi)部設(shè)置。

4 柴油發(fā)電機(jī)仿真的設(shè)置與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)本文第2節(jié)對(duì)柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)模型的建立與分析，可在MATLAB中組建柴油發(fā)電機(jī)組的仿真電路圖，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型得出的結(jié)論設(shè)置各環(huán)節(jié)的參數(shù)。[4]

以民航華東空管局虹橋機(jī)場(chǎng)西區(qū)綜合業(yè)務(wù)樓威爾遜P500E柴油發(fā)電機(jī)組為原型，并設(shè)置了400 kW的純電阻作為負(fù)載。將機(jī)組的額定參數(shù)輸入至仿真模型中，鏈接各系統(tǒng)環(huán)節(jié)可得系統(tǒng)仿真電路圖，如圖3所示。

在仿真電路圖的各相應(yīng)元器件內(nèi)將計(jì)算所得的參數(shù)輸入并保存確定后，仿真電路圖便設(shè)置完成。點(diǎn)擊“Play”鍵運(yùn)行，并在“Scope”示波器中顯示，便可觀察到柴油發(fā)電機(jī)組仿真運(yùn)行的電力參數(shù)曲線，如圖4、圖5所示。

5 結(jié) 語

通過分析柴油發(fā)電機(jī)組所仿真出的運(yùn)行參數(shù)曲線，可使新員工直觀地觀察到柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)的過程以及輸出電壓、電流等參數(shù)變化的結(jié)果，并且可通過系統(tǒng)圖形使學(xué)員學(xué)習(xí)到機(jī)組的工作過程及相關(guān)原理。

該仿真系統(tǒng)是個(gè)可以不斷升級(jí)優(yōu)化的系統(tǒng)，在今后的研究中，可優(yōu)化柴油機(jī)控制模塊參數(shù)，增加濾波、整流等參數(shù)控制環(huán)節(jié)，使運(yùn)行輸出電源質(zhì)量更高，更接近實(shí)際機(jī)組性能參數(shù)；可利用GUI功能設(shè)計(jì)開發(fā)面向空管專業(yè)的人機(jī)界面，使新員工易于操作；此外，對(duì)于控制器還可以引入模糊控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等環(huán)節(jié)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組的故障智能診斷功能，增強(qiáng)培訓(xùn)內(nèi)容，豐富該仿真系統(tǒng)。

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