邵夢(mèng)麟，梁前超，閆 東，鄔 健

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

船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)性能仿真

邵夢(mèng)麟1， 2，梁前超1， 2，閆 東1， 2，鄔 健1， 2

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

基于 Matlab/Simulink 平臺(tái)，根據(jù)容積慣性法建立某三軸燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組非線性動(dòng)態(tài)模型，并定制燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)控制策略，對(duì)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行階躍形突增突減負(fù)荷變工況仿真研究。結(jié)果表明動(dòng)態(tài)模型能夠有效地對(duì)負(fù)荷突變工況進(jìn)行模擬，為船舶電網(wǎng)供電模塊的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供模型基礎(chǔ)；在變工況過(guò)渡過(guò)程中，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性滿足船舶電網(wǎng)供電品質(zhì)要求。

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組；動(dòng)態(tài)特性；控制系統(tǒng)；供電品質(zhì)

0 引 言

綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System，IPS）將船舶推進(jìn)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)融合為一體，以電力的形式統(tǒng)一調(diào)配、分配和管理全船所需能量［1］。IPS 使艦船的布置更靈活，且有效降低艦船的輻射噪音，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，提高作戰(zhàn)能力［2］。燃?xì)廨啓C(jī)由于其功率大、重量輕、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，成為綜合電力系統(tǒng)大功率原動(dòng)機(jī)的理想選擇［3］。

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)機(jī)組作為綜合電力系統(tǒng)的電源，在電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，其控制系統(tǒng)需實(shí)時(shí)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)供電品質(zhì)滿足要求，且研究機(jī)組動(dòng)態(tài)性能是控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要手段［4］。本文基于 Matlab/Simulink 平臺(tái)建立某三軸燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組及其控制系統(tǒng)的仿真模型，在電網(wǎng)負(fù)荷階躍形突變時(shí)，研究燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制協(xié)調(diào)作用下機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

1 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組建模

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)模型

本文考慮燃?xì)廨啓C(jī)各流動(dòng)連接段間的容積慣性，建立某三軸燃?xì)廨啓C(jī)的非線性動(dòng)態(tài)模型.

根據(jù)模塊化建模思想，將三軸燃?xì)廨啓C(jī)看成由低壓壓氣機(jī)（LC）、高壓壓氣機(jī)（HC）、高壓渦輪（HT）、低壓渦輪（LT）、動(dòng)力渦輪（PT）等轉(zhuǎn)動(dòng)部件以及包括燃燒室（B）在內(nèi)的各個(gè)流動(dòng)連接段串聯(lián)而成，如圖 1 所示。模型中包括低壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子及動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子，三者均為轉(zhuǎn)動(dòng)慣性環(huán)節(jié)，由此建立部件間的機(jī)械聯(lián)系，且其進(jìn)出口間存在壓力梯度，壓比（膨脹比）決定了其進(jìn)出口流量；模型中流動(dòng)連接段間的 4 個(gè)容積模塊建立各轉(zhuǎn)動(dòng)部件間的氣動(dòng)聯(lián)系。參考文獻(xiàn)［5］表明：這種包括容積慣性環(huán)節(jié)的燃?xì)廨啓C(jī)模塊化非線性模型，精度較高，且能較全面地反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，適用于燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷突增、突減等過(guò)渡工況的性能仿真。

圖 1 三軸燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模塊物理模型Fig. 1 Physical model of three-shaft gas turbine power generation modules

1.2 發(fā)電機(jī)模型

本文選擇三相同步發(fā)電機(jī)作為燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)械軸負(fù)載。同步發(fā)電機(jī)主要包轉(zhuǎn)子和定子兩大部件，定子上嵌有電樞繞組，與三相電網(wǎng)相接；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)力渦輪同軸相連，通過(guò)它在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)將燃?xì)廨啓C(jī)輸出的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成三相交流電功率，送至船舶電網(wǎng)。

同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角加速度與作用在轉(zhuǎn)軸上的不平衡轉(zhuǎn)矩存在如下關(guān)系［6］：

2 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)

船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)包括勵(lì)磁反饋控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速反饋控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)方框圖如圖 2 所示。轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，直接影響船舶電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性和發(fā)電機(jī)的有功功率輸出；勵(lì)磁控制系統(tǒng)的相復(fù)勵(lì)調(diào)壓裝置同時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電流和端電壓進(jìn)行檢測(cè)，將直接影響船舶電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性及發(fā)電機(jī)無(wú)功功率輸出。系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)，干擾信號(hào)為電網(wǎng)中的三相電力突變負(fù)荷。

圖 2 船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)方框圖Fig. 2 Block diagram of marine gas turbine-generator set control system

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)控制策略

作為船舶電網(wǎng)發(fā)電模塊的原動(dòng)機(jī)，在電網(wǎng)負(fù)荷突變較大時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)需在不超溫、不超速的前提下，其瞬態(tài)調(diào)速率及穩(wěn)定時(shí)間要滿足船舶綜合電力系統(tǒng)對(duì)原動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求［7］。為保證原動(dòng)機(jī)達(dá)到上述條件，本文考慮在高、低壓壓氣機(jī)后設(shè)置放氣閥，用于在船舶電網(wǎng)負(fù)荷大幅度突降時(shí)，放出部分空氣，降低工質(zhì)總焓，即為圖 1 所示的突變負(fù)荷適配裝置；對(duì)燃料系統(tǒng)設(shè)置調(diào)速器，用于根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)供油量，使機(jī)組以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而達(dá)到船舶電網(wǎng)對(duì)頻率穩(wěn)定性的要求。

2.2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)

勵(lì)磁系統(tǒng)的主要作用是向同步發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)繞組供給直流勵(lì)磁電流［8］。勵(lì)磁控制系統(tǒng)按電流信號(hào)、電壓信號(hào)和相位信號(hào)并用的相復(fù)勵(lì)方式對(duì)同步發(fā)電機(jī)的端電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。基于 Matlab/Simulink 軟件建立的勵(lì)磁系統(tǒng)模型如圖 3 所示。圖中vref輸入電壓的基準(zhǔn)值，為勵(lì)磁電壓初始值；vd，vq分別為發(fā)電機(jī)d，q軸電壓，vstab為接地零電壓，istabc為發(fā)電機(jī)定子三相電流信號(hào)，Vf輸出勵(lì)磁電壓。電壓信號(hào)和電流信號(hào)分別經(jīng)低通濾波器產(chǎn)生相復(fù)勵(lì)信號(hào)，合成后送至調(diào)節(jié)器回路進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，并最終輸出到勵(lì)磁機(jī)。

3 動(dòng)態(tài)仿真及結(jié)果分析

圖 3 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)仿真模型圖Fig. 3 Simulation model of generator excitation control system

利用 Matlab/Simulink 平臺(tái)建立某三軸燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組非線性動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖 4 所示。圖 5 所示為船用發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)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(guò)控制主開關(guān)的通斷模擬實(shí)船負(fù)載突增突卸等典型工況變化。根據(jù)已建立的發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)模型及定制的控制策略，對(duì)船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中部分變量采用無(wú)量綱形式，以標(biāo)么值（pu）表示，額定工況下變量值為 1。

3.1 不同工況下突降 20% 負(fù)荷

燃機(jī)輪機(jī)發(fā)電機(jī)組在第 20 s從 1.0 工況連續(xù) 4 次進(jìn)行突降 20% 負(fù)荷，機(jī)組主要參數(shù)仿真結(jié)果如圖 6 ～ 圖9 所示。

從圖 6 ～ 圖 9 可知，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組從 1.0 工況階躍形突降負(fù)荷到 0.2 工況過(guò)程中，原動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)燃油量，使燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率降低，與電網(wǎng)負(fù)荷相匹配，并與高、低壓壓氣機(jī)放氣機(jī)構(gòu)共同作用，使機(jī)組快速穩(wěn)定到 3 000 r/min；由表 1 可知機(jī)組轉(zhuǎn)速最大瞬態(tài)調(diào)速率為 0.8%，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到 3 000 ± 15 r/min 內(nèi)的最大穩(wěn)定時(shí)間為 6.43 s；船舶電網(wǎng)頻率最大波動(dòng)值為 0.4 Hz（0.8%）；在勵(lì)磁控制系統(tǒng)作用下，發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓恢復(fù)到電壓穩(wěn)定值 3% 以內(nèi)的時(shí)間約 0.5 s。

圖 4 船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真模型Fig. 4 Dynamic simulation model of gas turbine -generator set for ships

圖 5 發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)仿真模型Fig. 5 Dynamic simulation model of gas turbine for power generation

圖 6 燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率變化曲線Fig. 6 Output power-time curve of gas turbine

圖 7 發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線Fig. 7 Speed-time curve of generator

圖 8 船舶電網(wǎng)頻率變化曲線Fig. 8 Frequency-time curve of power grid

圖 9 發(fā)電機(jī)端電壓變化曲線Fig. 9 Terminal voltage-time curve of generator

3.2 不同工況下突增 20% 負(fù)荷

燃機(jī)輪機(jī)發(fā)電機(jī)組在第 30 s從 0.2 工況連續(xù) 4 次進(jìn)行突增 20% 負(fù)荷，機(jī)組主要參數(shù)仿真結(jié)果如圖 10 ～ 圖 13所示。

從圖 10 ～ 圖 13 可知，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組從 0.2工況階躍形突降負(fù)荷到 1.0 工況過(guò)程中，原動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)燃油量，使燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率增加，與電網(wǎng)負(fù)荷相匹配；由表 2 可知機(jī)組轉(zhuǎn)速最大瞬態(tài)調(diào)速率為 1.07%，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到 3 000 ± 15 r/min內(nèi)的最大穩(wěn)定時(shí)間為 6.02 s；船舶電網(wǎng)頻率最大波動(dòng)值為 0.55 Hz（1.1%）；發(fā)電機(jī)端電壓在負(fù)荷突增瞬間突降，但在勵(lì)磁控制系統(tǒng)作用下，約 0.003 s快速恢復(fù)到穩(wěn)定值。

表 1 不同工況下突降 20% 負(fù)荷主要參數(shù)變化情況Tab. 1 The change of the main parameters when the load decreases in a sudden drop by 20% in different cases

根據(jù)《GBT-13030-2009 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)條件》對(duì)船舶電網(wǎng)供電系統(tǒng)要求：電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)組瞬態(tài)調(diào)速率應(yīng)不超過(guò)±10%，穩(wěn)定時(shí)間（即轉(zhuǎn)速恢復(fù)到 3 000 ± 15 r/min 范圍的時(shí)間）不大于 5 s；電網(wǎng)電壓瞬態(tài)變化在 ± 20% 內(nèi)，不超過(guò) 1.5 s；電網(wǎng)頻率瞬態(tài)變化在 ± 10% 內(nèi)，恢復(fù)時(shí)間不超過(guò) 5 s。由上述仿真結(jié)果可知：燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在大于 0.4 工況運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)負(fù)荷階躍形突變 20%，機(jī)組轉(zhuǎn)速瞬態(tài)調(diào)速率不超過(guò) 1%，且穩(wěn)定時(shí)間不超過(guò) 5 s；頻率波動(dòng)均未超過(guò) ± 10%；電網(wǎng)電壓短時(shí)下降后穩(wěn)定時(shí)間遠(yuǎn)小于 1.5s。但當(dāng)機(jī)組在 0.4 工況下進(jìn)行突變 20% 負(fù)荷變化時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間超過(guò) 5 s，因此燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組不宜在 0.4 工況下進(jìn)行大幅度增減負(fù)荷。

圖 10 燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率變化曲線Fig. 10 Output power-time curve of gas turbine

圖 11 機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線Fig. 11 Speed-time curve of generator set

圖 12 船舶電網(wǎng)頻率變化曲線Fig. 12 Frequency-time curve of power grid

圖 13 發(fā)電機(jī)端電壓變化曲線Fig. 13 Terminal voltage-time curve of generator

表 2 不同工況下突增 20% 負(fù)荷主要參數(shù)變化情況Tab. 2 The change of the main parameters when the load increases in a sudden jump by 20% in different cases

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于 Matlab/Simulink 平臺(tái)，采用容積慣性法建立了船用某三軸燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組仿真模型，參照船舶電網(wǎng)指標(biāo)，定制燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制策略，對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了階躍形突增突減負(fù)荷變工況仿真試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1）所建立的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組非線性動(dòng)態(tài)模型能夠有效地對(duì)負(fù)荷突變工況進(jìn)行模擬，為船舶電網(wǎng)供電模塊的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供模型基礎(chǔ)；

2）不同工況下，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性不同，且其加、減載性能也有區(qū)別，在高于 0.4 工況運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性較好；

3）在電網(wǎng)負(fù)荷突變工況過(guò)渡過(guò)程中，在燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制協(xié)調(diào)作用下，發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)性能滿足船舶電網(wǎng)供電品質(zhì)要求。

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Simulation on dynamic performance of gas turbine-generator set for ships

SHAO Meng-lin1， 2， LIANG Qian-chao1， 2， YAN Dong1， 2， WU Jian1， 2
（1. Military Key Laboratory for Naval Ship Power Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China；2. College of Power Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China）

According to the volume inertia， the nonlinear dynamic model for one type of three-spool gas turbine -generator set was established based on the Matlab/Simulink platform. The control strategy for speed regulation and excitation system was customized.And then the dynamic performance to the stepwise load were studied.The response curves show that the dynamic model accords well to the sudden load change process，and can be used as basal model for the power module control system design and optimization. The dynamic responses of gas turbine generator set meets the requirement of power supply quality for ship grid during the transient process of variable working condition.

gas turbine-generator set；dynamic performance；control system；quality of power supply

U664.13

A

1672 – 7619（2016）04 – 0071 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.015

2015 – 08 – 12；

2015 – 09 – 06

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目（4010303010403）

邵夢(mèng)麟（1991 – ），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榇C合電力系統(tǒng)建模與控制。