楊 勇，李 嵐

(太原理工大學(xué),太原 030024)

?

基于轉(zhuǎn)矩變化率與模糊控制的柴油發(fā)電機調(diào)速

楊 勇，李 嵐

(太原理工大學(xué),太原 030024)

分析了柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)矩變化率、發(fā)電機端電壓及功率因數(shù)與柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系。在柴油發(fā)電機模糊控制調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加柴油發(fā)轉(zhuǎn)矩變化率、發(fā)電機端電壓和功率因數(shù)作為輸入量，構(gòu)成一種多輸入單輸出的調(diào)速系統(tǒng)。結(jié)合DSP和柴油發(fā)電機系統(tǒng)，驗證了其調(diào)速性能。結(jié)果表明，多輸入柴油發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)可以提高柴油發(fā)電機對負載變化的抗干擾性，減少功率振蕩，提高獨立電力系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。

多輸入調(diào)速系統(tǒng)；柴油發(fā)電機；模糊控制

0 引 言

柴油發(fā)電機作為備用電源廣泛應(yīng)用于農(nóng)村、工廠以及船舶領(lǐng)域。柴油發(fā)電機的供電質(zhì)量直接影響負載性能，其中柴油發(fā)電機的頻率影響最大。柴油發(fā)電機頻率的波動會導(dǎo)致柴油發(fā)電機端電壓、有功功率、無功功率的變化。柴油發(fā)電機單機帶載運行時，通常根據(jù)柴油發(fā)電機的運行狀態(tài)調(diào)整柴油機的供油量，實現(xiàn)柴油機的恒頻恒速運行。

柴油機負載變化時柴油機轉(zhuǎn)速由于機械慣性作用并不能實時反映整個柴油發(fā)電機的狀態(tài)，整個調(diào)速過程滯后于負載干擾。本文主要基于以下兩點改善柴油發(fā)電機調(diào)速性能：(1)柴油發(fā)電機端電壓和功率因數(shù)在負載波動過程中會產(chǎn)生波動，比轉(zhuǎn)速的機械波動敏感迅速。(2)柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)矩變化率可以反映柴油發(fā)電機突然加載和卸載情況，使柴油發(fā)電機輸出功率適應(yīng)負載變化，增強系統(tǒng)魯棒性。本文將結(jié)合柴油發(fā)電機模糊控制調(diào)速系統(tǒng)，以柴油機轉(zhuǎn)矩變化率、電壓和功率因數(shù)作為輸入量，對柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速進行多輸入調(diào)節(jié)。

1 柴油發(fā)電機模糊PID調(diào)速系統(tǒng)

柴油機在負載變化或者運行狀態(tài)改變時，傳遞函數(shù)也會發(fā)生微小的改變。普通的柴油發(fā)電機PID調(diào)速器不能根據(jù)負載及運行狀態(tài)的變化做出最優(yōu)的調(diào)整。柴油發(fā)電機模糊調(diào)速系統(tǒng)是在柴油機PID調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過模糊自適應(yīng)算法，以柴油機的轉(zhuǎn)速差e和轉(zhuǎn)速差變化率de/dt作為輸入量，PID參數(shù)的變化量作為輸出量，實現(xiàn)PID參數(shù)模糊自整定，如圖1所示。PID參數(shù)模糊自整定的原理是找出PID三個參數(shù)與e和de/dt之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢測e和de/dt，根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)設(shè)計的模糊控制原理來對三個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同e和de/dt時對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象有較好的動、靜態(tài)性能[1-2]。

圖1 柴油發(fā)電機多輸入控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 轉(zhuǎn)矩變化率對轉(zhuǎn)速的影響

為了減少轉(zhuǎn)矩測量儀的投入，本文通過推導(dǎo)，使轉(zhuǎn)速差變化率通過PID調(diào)節(jié)后可以反映轉(zhuǎn)矩變化率，如圖1所示。轉(zhuǎn)速差變化率調(diào)節(jié)器以轉(zhuǎn)速差變化率de/dt為輸入量，經(jīng)PID后形成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號u2，并與柴油發(fā)電機自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)輸出的調(diào)節(jié)信號u1相加，形成調(diào)節(jié)信號u12。

柴油發(fā)電機模糊自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)的輸出信號u1與偏差e在時域下的關(guān)系：

(1)

式中：KP1,KI1,KD1為經(jīng)模糊系統(tǒng)調(diào)節(jié)過的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。

轉(zhuǎn)速差變化率調(diào)節(jié)器的輸出信號u2與偏差變化率de/dt在時域下的關(guān)系：

(2)

式中：KP1,KI1,KD1為轉(zhuǎn)速差變化率PID調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。

由式(1)、式(2)相加可得：

(3)

由力學(xué)原理可知柴油機的運動方程：

(4)

方程兩邊同時對t求導(dǎo)可得：

(5)

式中：J為柴油機轉(zhuǎn)動慣量；ω為轉(zhuǎn)速；t為時間；Md為柴油機輸出轉(zhuǎn)矩；Ml為柴油機負載力矩。

當(dāng)柴油發(fā)電機負載改變時，柴油機的負載力矩改變，而輸出力矩由于柴油機調(diào)速系統(tǒng)慣性的滯后作用沒有改變，式(5)在負載突變時可變成：

(6)

(7)

式中：ω0為給定轉(zhuǎn)速。由式(6)、式(7)可知，負載轉(zhuǎn)矩變化率等于轉(zhuǎn)速差變化率。

由式(3)、式(6)、式(7)可得：

(8)

由式(8)可知，突加負載時，負載轉(zhuǎn)矩變化率增大，轉(zhuǎn)速減小，u12增大，使柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速盡可能保持恒定，反之亦然。加入負載轉(zhuǎn)矩變化率可以提前預(yù)判負載轉(zhuǎn)矩的變化，減少系統(tǒng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間和負載轉(zhuǎn)矩變化對轉(zhuǎn)速的干擾[3]。

3 電壓和功率因數(shù)對柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速的影響

為了說明柴油發(fā)電機端電壓和功率因數(shù)與柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系，首先分析柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速與負載有功無功的關(guān)系。

3.1 有功功率對柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速的影響

柴油機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響參數(shù)眾多，且存在大量的非線性環(huán)節(jié)，經(jīng)過簡化及標(biāo)幺值化處理之后，由式(4)得到了下面的柴油發(fā)電機模型[4]：

(9)

式中：n為柴油機轉(zhuǎn)速；Md為柴油機動力矩；Ml為柴油機負載力矩；Tα為柴油機時間慣性常數(shù)；Tg為柴油發(fā)電機組的自穩(wěn)系數(shù)。

在柴油發(fā)電機系統(tǒng)中，若忽略空載損耗，柴油機的負載力矩Ml、同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩Tem、轉(zhuǎn)速ω、同步發(fā)電機的電磁功率Pem和同步發(fā)電機的有功功率P滿足以下關(guān)系：

(10)

當(dāng)同步發(fā)電機所帶負載突變時，有功功率改變，柴油機動力矩不變，負載力矩變化，導(dǎo)致柴油機的轉(zhuǎn)速變化。

3.2 無功功率對柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速的影響

柴油發(fā)電機單獨運行時，同步發(fā)電機端電壓不能在負載變化時保持恒定，這就使得無功負載通過發(fā)電機的弱耦合作用引起有功功率的變化，改變柴油發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。

現(xiàn)代柴油發(fā)電機所帶的同步發(fā)電機多為額定轉(zhuǎn)速為1 500r/min的凸極機,同步發(fā)電機有功功率P與無功功率Q的表達式[5]：

(11)

(12)

式中：m為同步發(fā)電機相數(shù)；E0為激磁電動勢；U為端電壓；Xq為交軸電抗；Xd為直軸電抗；δ為功角。

由式(10)、式(11)可得:

(13)

現(xiàn)代柴油發(fā)電機一般采用自動調(diào)節(jié)勵磁裝置，其無功功率Q與端電壓U有如下關(guān)系：

(14)

(15)

式中：U0為空載時的端電壓；k為調(diào)差系數(shù)，一般整定標(biāo)么值調(diào)差系數(shù)為 0.08左右(以發(fā)電機額定電壓和額定容量為基準(zhǔn)時)；ΔU為電壓偏差，表示端電壓與基準(zhǔn)電壓的差。

由式(13)、式(14)可知，無功功率通過發(fā)電機的弱耦合作用影響柴油發(fā)電機的有功功率，改變柴油發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。但是功角δ難于測量，很難利用式(13)對柴油發(fā)電機進行直接控制。

另外，有功功率與無功功率又有如下關(guān)系：

(16)

式中：θ為功率因數(shù)角；λ為功率因數(shù)。

由式(13)～式(15)可得：

(17)

根據(jù)式(10)、式(17)可得到電壓和功率因數(shù)與柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：

(1)當(dāng)功率因數(shù)不變時，電壓偏差的變化規(guī)律與有功功率的變化規(guī)律相同，與轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律相反。并且當(dāng)功率因數(shù)非常小時，電壓偏差的變化不影響有功功率的變化。轉(zhuǎn)速由于機械慣性作用，其變化滯后于電壓偏差的變化。

(2)當(dāng)發(fā)電機端電壓不變時，功率因數(shù)的變化規(guī)律與有功功率的變化規(guī)律相同，與轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律相反。并且當(dāng)電壓偏差非常小時，功率因數(shù)的變化不影響有功功率的變化。轉(zhuǎn)速由于機械慣性作用，其變化滯后于功率因數(shù)的變化。

4 電壓與功率因數(shù)模糊控制器設(shè)計

根據(jù)上述得到的兩條規(guī)律，在圖1中I,II部分結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計電壓與功率因?qū)D(zhuǎn)速的模糊調(diào)節(jié)控制器，如圖1中III部分所示。

4.1 隸屬函數(shù)設(shè)計[6-8]

模糊控制器輸入變量為：功率因數(shù)λ，基本論域為[0，1]，代表功率因數(shù)從0到1變化；電壓偏差ΔU的標(biāo)幺值ΔU*，基本論域為[-1，1]，數(shù)值大于0代表當(dāng)前電壓小于基準(zhǔn)電壓，數(shù)值大于0代表當(dāng)前電壓大于基準(zhǔn)電壓。

u3為輸出量，代表轉(zhuǎn)速的調(diào)整度，基本論域為[-6，6]，代表轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)程度。

4.2 控制規(guī)則設(shè)計

根據(jù)上述的兩條規(guī)律，設(shè)計電壓偏差ΔU*與功率因數(shù)λ對轉(zhuǎn)速的模糊調(diào)節(jié)控制規(guī)則如圖2所示。

圖2 突加100%額定負載時系統(tǒng)的調(diào)速特性

5 結(jié)果與分析

本文設(shè)計的多輸入調(diào)速系統(tǒng)柴油發(fā)電機的主要參數(shù)：

柴油機為4沖程；額定功率為261kW；額定轉(zhuǎn)速為1 500r/min；機組轉(zhuǎn)動慣量為4.99kg·m2；平均有效壓力為1 491kPa；額定扭矩為1 662N·m。

同步發(fā)電機的額定視在功率325kVA；額定電壓400V；額定頻率50Hz；功率因數(shù)0.8；極對數(shù)為2；勵磁機勵磁方式為相復(fù)勵。

本文主要通過DSP外接采集電路采集電壓信號、電壓與電流之間的相位差、轉(zhuǎn)速信號，并將這些信號傳輸給電腦。通過電腦處理原始數(shù)據(jù)得到電壓、轉(zhuǎn)速，功率因數(shù)等參數(shù)，并控制柴油機油門大小，并將采集的數(shù)據(jù)利用MATLAB作圖得到實驗結(jié)果。電路柴油發(fā)電機在空載條件下，6s時突加100%額定負載(功率因數(shù)0.8)，轉(zhuǎn)速的動態(tài)特性如圖3所示，有功功率變化曲線如圖4所示，無功功率變化曲線如圖5所示，電壓變化曲線如圖6所示；在100%額定負載(功率因數(shù)0.8)條件下，12s時突減負載至空載，轉(zhuǎn)速的動態(tài)特定如圖7所示，有功功率變化曲線如圖8所示，無功功率變化曲線如圖9所示，電壓變化曲線如圖10所示。圖中虛線3為模糊PID調(diào)節(jié)；點劃線2表示在3的基礎(chǔ)上加入轉(zhuǎn)矩變化率調(diào)節(jié)；實線1在2和3的基礎(chǔ)上加入端電壓與功率因數(shù)調(diào)節(jié)。除電壓波形縱坐標(biāo)為實際值，其余波形縱坐標(biāo)均為標(biāo)幺值，橫坐標(biāo)均為時間。

圖3 突加100%額定負載時系統(tǒng)的調(diào)速特性

圖4 突加100%額定負載時系統(tǒng)的有功特性

圖5 突加100%額定負載時系統(tǒng)的無功特性

圖6 突加100%額定負載電壓特性

圖7 突卸100%額定負載時系統(tǒng)的調(diào)速特性

圖8 突卸100%額定負載時系統(tǒng)的有功特性

圖9 突卸100%額定負載時系統(tǒng)的無功特性

圖10 突卸100%額定負載電壓特性

以額定轉(zhuǎn)速的±0.25%作為穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速容差帶，突加100%額定負載時的動態(tài)指標(biāo)：實線1的動態(tài)調(diào)速率Φ=4.36%，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間T=1.2s；點劃線2的動態(tài)調(diào)速率Φ=5.3%，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間T=1.42s；虛線3的動態(tài)調(diào)速率Φ=7.5%，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間T=0.44s。

突加負載時，有功功率、無功功率發(fā)生振蕩，振蕩波形頻率較高，從波形中無法直接看出優(yōu)劣。采集6～8s的數(shù)據(jù)，以額定有功功率和無功功率大小為期望值，比較各種方法的有功功率和無功功率方差的大小。功率方差大的振蕩大；方差小的振蕩小。在6～8s，實線1有功功率的方差為0.014 069，無功功率的方差為0.014 511；點劃線2的方差為0.014 161，無功功率的方差為0.014 533；短虛線3的方差為0.014 255，無功功率的方差為0.014 681。 突加負載時，實線1功率振蕩最小，其次為點劃線2，虛線3功率振蕩最大。

突加負載后，電壓波形上經(jīng)過2～3個周期后達到穩(wěn)定，從圖中可以看出實線1的恢復(fù)速度略快于點劃線2，點劃線2的恢復(fù)速度略快于虛線3。

突卸100%額定負載時的動態(tài)指標(biāo)：實線1的動態(tài)調(diào)速率Φ=2.98%，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間T=1.6s；點劃線2的動態(tài)調(diào)速率Φ=3.54%，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間T=1.6s；虛線3的動態(tài)調(diào)速率Φ=8.5%，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間T=1.56s。

從所得曲線中可以明顯看到，實線1的響應(yīng)時間以及振蕩程度小于點劃線2，點劃線2的響應(yīng)時間以及震蕩程度小于虛線3。

經(jīng)過 2～3個周期，實線1電壓波形恢復(fù)穩(wěn)定，基本與加載時電壓相同；點劃線2與虛線3在卸掉負載后電壓有不同程度的升高。

6 結(jié) 語

本文在模糊PID調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入轉(zhuǎn)矩變化率調(diào)節(jié)，電壓與功率因數(shù)調(diào)節(jié)，建立柴油發(fā)電機多輸入調(diào)節(jié)系統(tǒng)。結(jié)果表明，多輸入調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以提高柴油發(fā)電機的魯棒性，提高電壓波形的恢復(fù)速度，減少負載突變時的功率振蕩。

[1] 陸浩，周杰娜，盧江宇杰，等.基于Fuzzy-PID控制的柴油發(fā)電機調(diào)頻研究[J].電測與儀表，2011，48(6):9-13.

[2] 鄒開鳳，李育學(xué)，安士杰.利用MATLAB/Fuzzy Logic進行柴油機電子調(diào)速器PID參數(shù)模糊自整定設(shè)計與仿真[J].內(nèi)燃機工程，2003，19(6)：67-71.

[3] 李杰,韋慶,常文森.機器人控制器中應(yīng)用加速度反饋的幾個問題討論[J].自動化學(xué)報，2001,27(5):318-325.

[4] 賈園.柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行穩(wěn)定性的研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2008.

[5] 陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].3版.北京：中國電力出版社，2007:17.

[6] MCGOWAN D J，MORROW D J，F(xiàn)OX B.Integrated governor control for a diesel-generating set[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006,21(2):271-280.

[7] 張玉峰,李聲晉,盧剛，等.變速集成發(fā)電機的變細分模糊PID調(diào)速控制[J].微特電機，2012,40(11)：42-45.

[8] 石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008：11-22.

Torque Change Rate and Fuzzy Control for Diesel Generating Governor

YANGYong，LILan

(Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

The relationship between diesel generator torque change rates, the generator terminal voltage and power factor and diesel generator speed was analyzed. Based on fuzzy speed control system, diesel torque change rates, the generator terminal voltage and power factor were added as input with speed control signal as output to construct a multiple input single output control system. The speed performance was verified by combining diesel generator and DSP. The results show that the multiple input speed control system for a diesel generating set can improve the anti-interference performance, reduce the power oscillation, and improve the reliability of power supply.

multiple input speed control system; diesel generating set; fuzzy control

2014-12-11

陜西省科技攻關(guān)項目(20140322-22)

TM31；TM341

A

1004-7018(2016)01-0071-04