雷言開(kāi), 張?zhí)旌?/p>

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院,江蘇 南京 210016)

柴油發(fā)電機(jī)組是一種以柴油為燃料的發(fā)電設(shè)備,以柴油機(jī)為原動(dòng)機(jī),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。本文研究的對(duì)象是基于他勵(lì)同步發(fā)電機(jī)的柴油發(fā)電機(jī)組,目前,這種柴油發(fā)電機(jī)組是工業(yè)供電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的供電設(shè)備,常應(yīng)用于船舶、電站和各種應(yīng)急供電場(chǎng)合[1]。

本文將柴油發(fā)電機(jī)組看作以油門(mén)開(kāi)度和勵(lì)磁電壓為輸入、轉(zhuǎn)速和端電壓為輸出的多變量耦合非線性系統(tǒng),可以通過(guò)調(diào)整油門(mén)開(kāi)度和勵(lì)磁電壓控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和端電壓保持穩(wěn)定,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)供電頻率和電壓的穩(wěn)定。但柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)本身的非線性特性,以及二者間的耦合特性,給穩(wěn)定控制帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。因此,為了保證柴油發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定供電,需要針對(duì)用電負(fù)載突變工況,研究柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)的協(xié)同控制方法。

目前,國(guó)內(nèi)外在柴油發(fā)電機(jī)組控制方面的研究已經(jīng)發(fā)展得較為成熟。柴油發(fā)電機(jī)組的控制包含兩部分:柴油機(jī)調(diào)速控制和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制?；诒壤e分微分(Proportional-Integral-Derivative,PID)的各種改進(jìn)算法是柴油機(jī)常用的調(diào)速控制方法。陸平[2]采用動(dòng)態(tài)模式分離PID調(diào)節(jié)算法和變?cè)鲆娣蔷€性硬件補(bǔ)償方法來(lái)提高系統(tǒng)性能;劉國(guó)棟[3]將自適應(yīng)PID控制理論應(yīng)用于柴油機(jī)調(diào)速控制,這種算法具有魯棒性好、可靠性高等特點(diǎn)。目前,很多學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)用于柴油機(jī)調(diào)速控制,如王川川等[4]提出了一種小腦模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Cerbella Model Articalation Controller,CMAC)與PID結(jié)合的柴油機(jī)調(diào)速方案。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制方法自20世紀(jì)50年代以來(lái)不斷發(fā)展。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,李勇等[5]提出將線性最優(yōu)控制理論應(yīng)用到電力系統(tǒng),有效提高了發(fā)電電壓的穩(wěn)定性;Lu等[6]在最優(yōu)勵(lì)磁控制的基礎(chǔ)上,考慮系統(tǒng)的非線性特性,提出了非線性勵(lì)磁控制方法,解決了系統(tǒng)非線性干擾問(wèn)題;勵(lì)磁控制方法中如今也有許多基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制方法[7-8]。

本文針對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)載突變工況,研究柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)的協(xié)同控制方法。首先,基于柴油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)外特性,通過(guò)穩(wěn)態(tài)特性插值和動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)度的方法建立了柴油發(fā)電機(jī)組外特性模型,并對(duì)模型進(jìn)行了開(kāi)環(huán)仿真測(cè)試,對(duì)模型的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性和實(shí)時(shí)性進(jìn)行了驗(yàn)證;然后,針對(duì)用電負(fù)載突變工況,基于線性自抗擾控制(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)算法,設(shè)計(jì)了柴油發(fā)電機(jī)組控制方法,并進(jìn)行了閉環(huán)仿真測(cè)試,初步驗(yàn)證算法的控制效果;最后,搭建了硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)硬件在環(huán)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證算法的控制效果和在柴油發(fā)電機(jī)組電子控制系統(tǒng)中的工程適用性。

1 柴油發(fā)電機(jī)組建模

柴油發(fā)電機(jī)組以柴油機(jī)為原動(dòng)機(jī),帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)并發(fā)電;同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩,則作為柴油機(jī)的負(fù)載。因此,本文將柴油發(fā)電機(jī)組看作以油門(mén)開(kāi)度、勵(lì)磁電壓為輸入,轉(zhuǎn)速和端電壓為輸出的多變量耦合非線性系統(tǒng)。

本節(jié)面向控制研究基于柴油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的外特性,通過(guò)穩(wěn)態(tài)特性插值和動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)度的方法,分別建立柴油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的外特性模型,最終得到柴油發(fā)電機(jī)組外特性模型,并對(duì)模型進(jìn)行了開(kāi)環(huán)仿真測(cè)試。

1.1 柴油發(fā)電機(jī)組外特性模型

本節(jié)建立的柴油發(fā)電機(jī)組模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,油門(mén)開(kāi)度和勵(lì)磁電壓作為模型的輸入,轉(zhuǎn)速和端電壓作為模型的輸出,柴油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)之間通過(guò)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩相互耦合,用電負(fù)載在同步發(fā)電機(jī)端作為干擾輸入。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組模型結(jié)構(gòu)示意圖

柴油發(fā)電機(jī)組模型技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油發(fā)電機(jī)組模型技術(shù)參數(shù)

1.1.1 柴油機(jī)外特性模型

柴油機(jī)的速度特性是指:油門(mén)位置不變時(shí),柴油機(jī)性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速ng的變化關(guān)系。這些性能指標(biāo)包括:有效功率Pe,輸出轉(zhuǎn)矩Ttq,燃油消耗率be等[9]。柴油機(jī)的外特性是指:油門(mén)位置固定在標(biāo)定功率循環(huán)供油量的位置時(shí),測(cè)得的速度曲線。

本文建立的柴油機(jī)外特性模型如式(1)～式(3)所示,這些表達(dá)式反映了柴油機(jī)模型的油門(mén)開(kāi)度、有效功率、輸出轉(zhuǎn)矩和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

Pe=α·Pmax·p(ω)

(1)

(2)

p(ω)=0.652 6ω+1.694 8ω2-1.347 4ω3

(3)

式中:α為油門(mén)開(kāi)度;Pmax為最大有效功率;ng為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速;p(ω)為功率需求函數(shù);ω為轉(zhuǎn)速比(柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比)。

柴油機(jī)的外特性反映了柴油機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性,而柴油機(jī)作為一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng),影響其動(dòng)態(tài)特性的因素有很多。本文只考慮柴油機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性,以及柴油機(jī)內(nèi)部能量傳遞時(shí),由燃料噴射入氣缸到燃燒做功并通過(guò)曲軸輸出的延遲。

在研究柴油機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性時(shí),將柴油機(jī)和其帶動(dòng)的負(fù)載看作兩個(gè)聯(lián)軸的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量體,可以得到柴油機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程:

(4)

式中:TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Je為柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;JL為負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

柴油機(jī)做功時(shí),燃料噴射入氣缸到燃燒做功并通過(guò)曲軸輸出,這個(gè)過(guò)程需要經(jīng)歷一段延時(shí),也稱為IPS-Delay(Introduce to Power Stroke-Delay),延遲τe計(jì)算如式(5)所示,本文在建模時(shí)將其看作純延遲環(huán)節(jié)。

(5)

式中:C為延時(shí)系數(shù);Nst為沖程數(shù);Ncyl為氣缸數(shù)。

基于上述柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性計(jì)算方法,搭建了柴油機(jī)外特性模型,模型計(jì)算示意圖如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)模型計(jì)算示意圖

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí),模型的計(jì)算過(guò)程為:首先,基于柴油機(jī)外特性,根據(jù)油門(mén)開(kāi)度,通過(guò)式(1)～式(3)可以得到輸出轉(zhuǎn)矩;然后,通過(guò)式(4)即轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的平衡過(guò)程,得到輸出轉(zhuǎn)速的變化;最后,考慮式(5)所示的時(shí)滯特性,得到最終的輸出轉(zhuǎn)速。

按上述方式計(jì)算,直至柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡。

1.1.2 同步發(fā)電機(jī)外特性模型

如圖3所示,本文將同步發(fā)電機(jī)看作以轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電壓、用電負(fù)載為輸入,端電壓、端電流、電磁轉(zhuǎn)矩為輸出的系統(tǒng)。基于同步發(fā)電機(jī)在全工作范圍內(nèi)各輸入與各輸出之間的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,即同步發(fā)電機(jī)外特性,建立了同步發(fā)電機(jī)外特性模型。

圖3 同步發(fā)電機(jī)模型結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)對(duì)同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行辨識(shí),得到了外特性參數(shù)。其中穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)反映了同步發(fā)電機(jī)在不同工作點(diǎn)的輸入與輸出的穩(wěn)態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系。在建立同步發(fā)電機(jī)模型時(shí),選擇的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)范圍是:轉(zhuǎn)速1 000～2 200 r/min,勵(lì)磁電壓0.5～3.5 pu(標(biāo)幺值),用電負(fù)載132～1 320 kW。在各穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn),分別對(duì)同步發(fā)電機(jī)3個(gè)輸入施加小幅階躍,通過(guò)3個(gè)輸出的階躍響應(yīng)可以得到在不同的工作點(diǎn)同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)(如增益和時(shí)間常數(shù))。

設(shè)同步發(fā)電機(jī)外特性模型的輸入分別為:轉(zhuǎn)速ne,勵(lì)磁電壓Vf,用電負(fù)載RL;輸出分別為端電壓U,端電流I,電磁轉(zhuǎn)矩T;各工作點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)分別為K1,K2,…,Kn(動(dòng)態(tài)特性參數(shù)由對(duì)具體工作點(diǎn)進(jìn)行辨識(shí)得到,不同工作點(diǎn)參數(shù)個(gè)數(shù)不同)。同步發(fā)電機(jī)外特性模型的計(jì)算方式如式(6)所示:

(6)

式中:f1、f2、f3分別為計(jì)算端電壓、端電流和電磁轉(zhuǎn)矩的一系列插值函數(shù)。通過(guò)這種計(jì)算方式,模型可以表示同步發(fā)電機(jī)在不同工作點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

1.2 柴油發(fā)電機(jī)組模型仿真分析

在1.1節(jié)中建立了柴油發(fā)電機(jī)組外特性模型,為了對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,選擇60%(792 kW)用電負(fù)載工況,分別對(duì)勵(lì)磁電壓和油門(mén)開(kāi)度施加階躍,并得到相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速、端電壓、端電流以及電磁轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)。

1.2.1 勵(lì)磁電壓開(kāi)環(huán)階躍測(cè)試

在60%用電負(fù)載工況下,保持油門(mén)開(kāi)度不變,從額定狀態(tài),即轉(zhuǎn)速1 500 r/min,端電壓220 V,對(duì)勵(lì)磁電壓施加連續(xù)階躍。設(shè)初始油門(mén)開(kāi)度為0.531 9,初始勵(lì)磁電壓為1.929 pu ,勵(lì)磁電壓在5 s時(shí)開(kāi)始向下階躍至1.5,此后每10 s向下階躍0.5,直至勵(lì)磁電壓為1 pu。柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、端電壓、端電流和電磁轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)如圖4所示。

圖4 60%負(fù)載工況下勵(lì)磁電壓連續(xù)階躍響應(yīng)

由圖4可知,當(dāng)油門(mén)開(kāi)度和用電負(fù)載不變時(shí),隨著勵(lì)磁電壓的逐漸減小,柴油發(fā)電機(jī)組模型輸出的端電壓、端電流逐漸減小,同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減小,系統(tǒng)轉(zhuǎn)速逐漸增大。對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)組而言,勵(lì)磁電壓減小會(huì)使同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度減小,因此端電壓、端電流和電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)減小;在油門(mén)開(kāi)度不變的情況下,電磁轉(zhuǎn)矩減小會(huì)使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速增大。因此模型的勵(lì)磁電壓階躍響應(yīng)與柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)際特性相符。

1.2.2 油門(mén)開(kāi)度開(kāi)環(huán)階躍測(cè)試

在60%用電負(fù)載工況下,保持勵(lì)磁電壓不變,從額定狀態(tài),即轉(zhuǎn)速1 500 r/min,端電壓220 V,對(duì)油門(mén)開(kāi)度施加連續(xù)階躍。設(shè)初始油門(mén)開(kāi)度0.531 9,勵(lì)磁電壓1.929 pu,油門(mén)開(kāi)度在5 s時(shí)階躍至0.6,在25 s時(shí)階躍至0.7。轉(zhuǎn)速、端電壓、端電流和電磁轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)如圖5所示。

圖5 60%負(fù)載工況下油門(mén)開(kāi)度連續(xù)階躍響應(yīng)

由圖5可知,當(dāng)勵(lì)磁電壓和用電負(fù)載不變時(shí),隨油門(mén)開(kāi)度逐漸增大,系統(tǒng)轉(zhuǎn)速逐漸增大,柴油發(fā)電機(jī)組模型輸出的端電壓、端電流逐漸增大,同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減小。對(duì)于柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組而言,當(dāng)油門(mén)開(kāi)度增大時(shí),輸出的轉(zhuǎn)速、端電壓、端電流會(huì)增大。由于用電負(fù)載是保持不變的,因此同步發(fā)電機(jī)輸出端消耗的功率也不變。因此,從功率平衡的角度看,柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速增大,同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩必然會(huì)減小。因此,模型的油門(mén)開(kāi)度階躍響應(yīng)與柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)際特性相符。

2 柴油發(fā)電機(jī)組控制算法設(shè)計(jì)

自抗擾控制算法將所有作用于控制對(duì)象的未知因素定義為“擾動(dòng)”,通過(guò)引入擴(kuò)張觀測(cè)器(Extended State Observer,ESO),不需要精確的數(shù)學(xué)模型便可以估計(jì)系統(tǒng)的總擾動(dòng),并進(jìn)行補(bǔ)償[10]。Gao[11]提出了LADRC算法,通過(guò)調(diào)整觀測(cè)器帶寬和控制器帶寬進(jìn)行LADRC算法參數(shù)優(yōu)化與整定的方法,使LADRC算法更便于工程實(shí)踐應(yīng)用。

柴油發(fā)電機(jī)組以油門(mén)開(kāi)度和勵(lì)磁電壓為輸入,轉(zhuǎn)速和端電壓為輸出,用電負(fù)載作為發(fā)電機(jī)端的干擾輸入。柴油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)之間通過(guò)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩緊密耦合,這種耦合特性給柴油發(fā)電機(jī)組的控制帶來(lái)了挑戰(zhàn)。因此,基于LADRC算法的原理和特點(diǎn),將柴油發(fā)電機(jī)組耦合特性對(duì)控制系統(tǒng)的影響看作“擾動(dòng)”,設(shè)計(jì)ESO進(jìn)行觀測(cè)并補(bǔ)償,可以有效解決柴油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)協(xié)同控制的耦合問(wèn)題。

本節(jié)基于柴油發(fā)電機(jī)組模型,針對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組用電負(fù)載突變工況,分別采用LADRC算法和比例積分(Proportional-Integral,PI)控制算法設(shè)計(jì)控制器,并進(jìn)行仿真對(duì)比二者控制效果。

2.1 柴油發(fā)電機(jī)組LADRC控制器設(shè)計(jì)

圖6為柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)示意圖。將用電負(fù)載的變化以及柴油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)之間耦合特性的影響看作是系統(tǒng)的“擾動(dòng)”。將柴油機(jī)看作一階系統(tǒng),設(shè)計(jì)擴(kuò)張觀測(cè)器ESO1觀測(cè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速Ne和對(duì)柴油機(jī)的擾動(dòng)fe;將同步發(fā)電機(jī)也看作一階系統(tǒng),設(shè)計(jì)擴(kuò)張觀測(cè)器ESO2觀測(cè)系統(tǒng)的端電壓U和對(duì)同步發(fā)電機(jī)的擾動(dòng)fg。基于ESO的反饋,控制器根據(jù)參考轉(zhuǎn)速Nref和參考端電壓Uref控制油門(mén)開(kāi)度α和勵(lì)磁電壓Vf,保證柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和端電壓穩(wěn)定。

圖6 柴油發(fā)電機(jī)組LADRC控制系統(tǒng)示意圖

柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是ESO的設(shè)計(jì),本文分別設(shè)計(jì)了柴油機(jī)擴(kuò)張觀測(cè)器ESO1和同步發(fā)電機(jī)擴(kuò)張觀測(cè)器ESO2,并設(shè)計(jì)了油門(mén)開(kāi)度和勵(lì)磁電壓的控制方法。

(1) 柴油機(jī)擴(kuò)張觀測(cè)器ESO1設(shè)計(jì)。

柴油機(jī)擴(kuò)張觀測(cè)器ESO1的方程為

(7)

對(duì)ESO1的極點(diǎn)進(jìn)行配置,如式(8)所示,應(yīng)將極點(diǎn)配置在-ω0(ω0>0)處,由文獻(xiàn)[12]可知,這樣對(duì)于干擾的敏感性最低。

(8)

此時(shí)油門(mén)開(kāi)度控制信號(hào)為

(9)

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(10)

令柴油機(jī)控制器增益kp,e=ωc=20,柴油機(jī)擴(kuò)張觀測(cè)器帶寬ω0=70,be=912。

(2) 同步發(fā)電機(jī)擴(kuò)張觀測(cè)器ESO2設(shè)計(jì)。

同步發(fā)電機(jī)擴(kuò)張觀測(cè)器ESO2的方程為

(11)

ESO2的極點(diǎn)配置與ESO1相同,令β1=2ω0,β2=ω0,bg=148。此時(shí)勵(lì)磁電壓控制信號(hào)為

(12)

同步發(fā)電機(jī)端電壓控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(13)

令控制器增益kp,g=ωc=50,擴(kuò)張觀測(cè)器帶寬ω0=10。

2.2 柴油發(fā)電機(jī)組控制算法仿真分析

2.2.1 LADRC算法仿真分析

本節(jié)基于LADRC算法搭建了如圖6所示的柴油發(fā)電機(jī)組控制仿真系統(tǒng),LADRC控制器的參數(shù)設(shè)置如2.1節(jié)所述。設(shè)參考轉(zhuǎn)速1 500 r/min,端電壓220 V。分別針對(duì)用電負(fù)載小幅突變和大幅突變工況進(jìn)行仿真。

(1) 用電負(fù)載小幅階躍測(cè)試。

設(shè)柴油發(fā)電機(jī)組的初始狀態(tài)為額定狀態(tài),即轉(zhuǎn)速1 500 r/min,端電壓220 V。初始用電負(fù)載為50%(660 kW),每次階躍的幅度為10%(132 kW),在柴油發(fā)電機(jī)組正常工作范圍內(nèi)分別測(cè)試了用電負(fù)載向上階躍和向下階躍,仿真測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 用電負(fù)載小幅階躍時(shí)LADRC控制仿真結(jié)果

由圖7可見(jiàn),用電負(fù)載小幅突變時(shí),轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于0.1%,端電壓波動(dòng)小于0.6%。

(2) 用電負(fù)載大幅階躍測(cè)試。

設(shè)柴油發(fā)電機(jī)組的初始狀態(tài)為額定狀態(tài),即轉(zhuǎn)速1 500 r/min,端電壓220 V。初始用電負(fù)載為50%(660 kW),每次階躍的幅度為40%(528 kW),在柴油發(fā)電機(jī)組正常工作范圍內(nèi)分別測(cè)試了用電負(fù)載向上階躍和向下階躍,仿真測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

由圖8可見(jiàn),用電負(fù)載大幅突變時(shí),轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于0.2%,端電壓波動(dòng)小于2.5%。

2.2.2 PI算法仿真分析

如圖9所示,本節(jié)搭建了柴油發(fā)電機(jī)組PI控制仿真系統(tǒng),設(shè)柴油機(jī)PI控制器參數(shù)為:比例增益Kp,g=0.015,積分增益Ki,g=0.02;設(shè)同步發(fā)電機(jī)PI控制器參數(shù)為:比例增益Kp,e=0.1,積分增益Ki,e=0.05。設(shè)參考轉(zhuǎn)速1 500 r/min,端電壓220 V。分別針對(duì)用電負(fù)載小幅突變和大幅突變工況進(jìn)行數(shù)字仿真。

圖9 柴油發(fā)電機(jī)組PI控制系統(tǒng)示意圖

(1) 用電負(fù)載小幅階躍測(cè)試。

設(shè)柴油發(fā)電機(jī)組的初始狀態(tài)為額定狀態(tài),即轉(zhuǎn)速1 500 r/min,端電壓220 V。初始用電負(fù)載為50%(660 kW),每次階躍的幅度為10%(132 kW),在柴油發(fā)電機(jī)組正常工作范圍內(nèi)分別測(cè)試了用電負(fù)載向上階躍和向下階躍,仿真測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 用電負(fù)載小幅階躍時(shí)PI控制仿真結(jié)果

由圖10可以看出,用電負(fù)載小幅突變時(shí),轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于0.3%,端電壓波動(dòng)小于1.0%。

(2) 用電負(fù)載大幅度階躍測(cè)試。

設(shè)柴油發(fā)電機(jī)組的初始狀態(tài)為額定狀態(tài),即轉(zhuǎn)速1 500 r/min,端電壓220 V。初始用電負(fù)載為50%(660 kW),每次階躍的幅度為40%(528 kW),在柴油發(fā)電機(jī)組正常工作范圍內(nèi)分別測(cè)試了用電負(fù)載向上階躍和向下階躍,仿真測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11 用電負(fù)載大幅階躍時(shí)PI控制仿真結(jié)果

由圖11可見(jiàn),用電負(fù)載大幅度突變時(shí),轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于0.8%,端電壓波動(dòng)小于4.0%。

表2為PI控制和LADRC控制效果對(duì)比。

表2 PI與LADRC控制效果對(duì)比

同樣的用電負(fù)載變化工況下,在LADRC控制算法的調(diào)節(jié)下,柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速和端電壓的波動(dòng)更小,因此,LADRC算法的控制效果優(yōu)于PI控制,對(duì)不同工況的適應(yīng)性更好。

3 硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證LADRC算法的控制效果和在柴油發(fā)電機(jī)組電子控制系統(tǒng)中的工程適用性,搭建了硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái),針對(duì)用電負(fù)載突變工況,進(jìn)行了硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

基于MT RobustRIO實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)搭建了硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)。采用的柴油發(fā)電機(jī)組電子控制器可以采集端電壓、端電流、油門(mén)位置和缸蓋溫度等傳感器信號(hào)。假設(shè)柴油發(fā)電機(jī)組油門(mén)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī),電子控制器可以輸出步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)和勵(lì)磁控制信號(hào)。

如圖12所示,本節(jié)搭建的硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)分為兩部分,分別是柴油發(fā)電機(jī)組仿真接口模擬器和電子控制器。電子控制器采集仿真接口模擬器模擬的端電壓、端電流、油門(mén)開(kāi)度、缸蓋溫度和轉(zhuǎn)速等傳感器信號(hào),根據(jù)控制算法計(jì)算出控制量,輸出步進(jìn)電機(jī)方向控制信號(hào)、步進(jìn)電機(jī)步數(shù)控制信號(hào)和勵(lì)磁電壓控制信號(hào);仿真接口模擬器內(nèi)運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī)組模型,通過(guò)AI、DI輸入采集端口接收電子控制器的指令,換算為對(duì)應(yīng)的油門(mén)開(kāi)度和勵(lì)磁電壓,柴油發(fā)電機(jī)組模型模擬計(jì)算出端電壓、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行狀態(tài),然后通過(guò)AO、DO等輸出端口傳送給電子控制器。

圖12 硬件在環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)

圖13為柴油發(fā)電機(jī)組硬件在環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖13 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

3.2 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)

本節(jié)進(jìn)行了硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證。分別在不同工作點(diǎn)進(jìn)行用電負(fù)載小幅突變(132 kW/次)和大幅突變(528 kW/次)兩種工況測(cè)試,進(jìn)一步驗(yàn)證LADRC算法控制柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速和端電壓保持穩(wěn)定的效果,仿真結(jié)果如圖14和圖15所示。

圖14 用電負(fù)載小幅突變硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

圖15 用電負(fù)載大幅突變硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

由圖14和圖15可見(jiàn),用電負(fù)載小幅突變時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于4 r/min(0.27%),端電壓波動(dòng)小于5 V(2.3%);用電負(fù)載大幅突變時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于12 r/min(0.8%),端電壓波動(dòng)小于12 V(5.5%)。

根據(jù)國(guó)家發(fā)布的《電能質(zhì)量供電電壓偏差》和《電能質(zhì)量供電頻率偏差》:20 kV及以下三相供電電壓偏差不超過(guò)為標(biāo)稱電壓的±7%;電網(wǎng)容量在3×106kW以下,供電頻率偏差不超過(guò)±0.5 Hz。硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)LADRC算法可以在不同用電負(fù)載突變工況下控制柴油發(fā)電機(jī)組端電壓波動(dòng)小于5.5%,轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于0.8%(供電頻率波動(dòng)小于0.4 Hz),能滿足國(guó)家供電標(biāo)準(zhǔn)。因此,實(shí)現(xiàn)了保持柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電電壓和頻率穩(wěn)定的控制目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以基于他勵(lì)同步發(fā)電機(jī)的柴油發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象,針對(duì)用電負(fù)載突變工況,研究柴油機(jī)與同步發(fā)電機(jī)的協(xié)同控制方法,實(shí)現(xiàn)了保證柴油發(fā)電機(jī)組供電電壓與頻率穩(wěn)定的目標(biāo)。

① 本文面向柴油發(fā)電機(jī)組控制研究,基于柴油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)的外特性,通過(guò)穩(wěn)態(tài)特性插值和動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)度的方法建立了柴油發(fā)電機(jī)組外特性模型,并對(duì)模型進(jìn)行了開(kāi)環(huán)數(shù)字仿真,結(jié)果表明建立的外特性模型可以反映柴油發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,以及系統(tǒng)非線性耦合特性,適用于柴油發(fā)電機(jī)組控制研究。

② 針對(duì)用電負(fù)載突變工況,分別基于PI控制算法和LADRC算法設(shè)計(jì)了柴油發(fā)電機(jī)組控制方法,并分別進(jìn)行了用電負(fù)載小幅突變和大幅突變工況下的閉環(huán)數(shù)字仿真,結(jié)果表明LADRC算法控制效果更好,可以控制柴油發(fā)電機(jī)組供電電壓并保持頻率穩(wěn)定。

③ 搭建硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行硬件在環(huán)試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了用電負(fù)載突變時(shí),LADRC算法的控制效果和實(shí)際柴油發(fā)電機(jī)組電子控制系統(tǒng)的適用性。試驗(yàn)結(jié)果表明,柴油發(fā)電機(jī)組供電頻率波動(dòng)小于0.4 Hz,端電壓波動(dòng)小于5.5%,滿足國(guó)家供電標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了控制柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電電壓和頻率穩(wěn)定的目標(biāo)。