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基于电力推进船舶柴油发电机组的建模控制和研究

Le Luo

Wuhan University of Technology, Wuhan, China

luo6230658@163.com

Lan Gao and Hehe Fu

Wuhan University of Technology, Wuhan, China

zjq@whut.edu.cn and 1043228854@qq.com

摘要

本文分析了电力推进船舶电力系统的特点，建立了柴油机PID速度控制系统和同步发电机AVR PSS励磁控制系统的数学模型和仿真模型。最后，在MATLAB / Simulink环境中进行了突然增加负载的模拟仿真测试。结果表明，速度控制和励磁控制系统具有良好的稳定性，快速性和一定的鲁棒性。

关键词：发电机，励磁，MATLAB / Simulink，速度控制

1 绪论

电力推进船舶的电力系统比传统船舶要复杂得多。电力推进船舶将电力推进系统和日常电气设备组合成一个综合电力系统，给输电，配电和电源管理带来了困难。但电力推进具有其自身的优势，如推进效率高，经济效率高，操纵性强等。特别是随着大功率变频调速器的应用，电力推进在商用和军用领域取得极大的成功。同时电力系统的研究人员也开始密切注意电力质量问题。

船舶电力系统主要是发电系统，配电系统和电力系统结构。船舶电站是发电系统的核心，也是船舶的重要组成部分。随着发电机单机容量不断增加，船舶电力系统越来越复杂，对控制系统的要求越来越高，船舶电力控制系统的长期稳定性和电力质量越来越重要。在电力系统的运行中，同步发电机的励磁电流是无功功率的主要来源，有时甚至是唯一的来源。 因此无论是正常还是在事故状况下，同步发电机励磁控制系统的特性对于电站的运行都是非常重要的。

为了验证速度控制系统和同步发电机励磁系统控制方法的有效性和稳定性，本文进行了对发电子系统控制过程的建模与仿真，保证了同步发电机的正常运行。

2 船用柴油发电机组模型的结构

船用柴油发电机组由柴油原动机，调速器，发电机和复合励磁变压器组成。 系统结构框图如图1所示。从图1可以看出，该系统有两个闭环反馈控制系统：速度反馈控制系统（图2）和励磁反馈控制系统（图3）。将这两个系统组合在一起，就变成了图4。

图1 柴油发电机组系统结构框图

图2 柴油机转速反馈控制系统

图3 发电机励磁反馈控制系统

图4 发电机组频率和电压反馈控制系统

转速反馈系统检测发电机速度量，励磁反馈系统复合励磁变压器检测发电机端电压和输出电流。为了电力系统的可靠运行，电网频率常数是必不可少。电网频率常数可以确保对感应电机和同步发电机的转速控制，并且电网频率由并网的柴油发电机组转速决定，柴油发电机组的转速控制系统也将直接影响发电机的有功功率输出。而对于船用发电机励磁控制系统，其控制特性也直接影响电源的质量。励磁控制系统将直接影响船舶电网的电压稳定性和发电机的无功功率输出。

3. 柴油发动机和调速系统的模型

柴油机在柴油发电机组中的主要作用是提供推动力。柴油机自身没有调速的能力，因此必须配备调速器，目的是确保柴油机能够以指定转速稳定运行。

在本文中，柴油机和调速器的组合使用二阶模型。 仿真模型如图5所示。

图5 柴油机调速器模拟模型

在图5中，omega;ef（pu）是每单位输入转速设定值，omega;（pu）是每单位发电机设定的实际转速，通过发电机检测单元测试，Pmec（pu）是每单位柴油机输出功率，用于驱动发电机。主控制器和放大单元构成比例关系，微分和二阶惯性链路控制单元通过调节柴油机油门执行器来加快调整的效果。柴油机输出转速通过转矩积分单元转换。由于柴油机是一个大的延时系统，扭矩首先通过延迟单元然后乘以倍数的转速信号成为机械功率信号。扭矩动力驱动发电机发出功率[1]。

4. 同步发电机励磁系统的性能

励磁系统是保证发电电压精度，提高电力系统稳定运行能力的重要环节，在电站中，励磁控制系统是基本和必要的组成部分。在船舶电力系统的各种扰动中，负荷是造成船舶电压波动的主要原因。从理论分析，负载变化，包括负载电流振幅和功率因数的变化，无论哪种变化都可能引起发电机电枢反应的变化，从而导致发电机电压发生变化。由于船舶负载更微为敏感，并且电压变化主要由直轴电枢反应引起，因此负载振幅增大或功率因数降低都会会引起端电压下降，相反将导致端电压上升。 这些变化的可控性与励磁控制系统密切相关，因此，要求励磁系统具有良好的稳定性，快速响应和强大的调整能力。

总而言之，励磁控制系统的功能主要有以下几个方面[2]：

（1）保持发电机端子电压恒定

通常在负载变化时，发电机端电压会发生变化，根据端电压的变化调节发电机励磁电流，使端电压保持在一定的水平。

（2）控制并联运行发电机无功功率的分配

当两台或两台以上同步发电机并联运行时，自动励磁装置应根据发电机容量保证无功功率按比例分配，防止单机电流过载，提高总效率。平行单位的无功电流若不成P.U.的比例分布，并联发电和励磁系统的参数将不一致。P.U.不一致的励磁系统是特别的， 因此励磁系统应该具有无功电流分布的功能，并且稳定克服发电机电枢电路的反应循环产生的这个参数不一致。

（3）有效提高系统静态稳定性

所谓静态稳定性，本质就是工作点的稳定性，通常是指发电机通过稳定状态或通过传动系统稳定输送功率小扰动的能力。

（4）提高系统瞬态稳定性

电力系统瞬态稳定性指的是在大干扰（如三相短路，切除线等）中，发电机或本地系统在第一次或第二次维持系统中不会与其他部分失去同步的能力。

5. 同步发电机励磁系统数学模型

5.1同步发电机数学模型

同步发电机是船舶电力系统的核心，它在一个有机的整体中集成了旋转和静止，电磁变化和机械，将机械能转换成电能，然后供应整个船舶电力系统。船舶电力系统的稳定性在很大程度上使同步发电机并联运行，以保持同步。

在广泛使用的同步发电机数学模型中，通常在转子d轴和q轴上增加等效阻尼绕组，以提高数学模型的精度[3]。

（1）

考虑到转子自感和互感的影响，在建立同步发电机数学模型时采用派克变换。为了简化分析和计算过程，将微分方程（缩写）转换为具有该变换的常系数方程。 公式（1）示出了派克变换的关系。一些假设如下：

（1）忽略速度变化对EMF的影响，假设omega;= 1;

（2）只考虑发电机瞬态过程中正序分量影响，省略派克方程的零轴向磁链电压方程。

（3）不要考虑q轴阻尼绕组瞬态过程。

在d-q坐标下获得同步发电机的5阶常微分方程（矢量格式）。

电压方程为：

（2）

通量方程为：

（3）

式中：

下标：d/q----轴；m----互感；f----励磁绕组；k----阻尼绕组；r----转子；s----定子。

V----电压；R----电阻；i----电流；phi;—磁通量；omega;—角速度；p—微分算子；L—电感；

omega;r—转子角速度

5.2 励磁系统数学模型

5.2.1 相复合励磁系统模型

相复合励磁系统由相复合励磁单元，交流励磁器和AVR组成。 本文参考IEEE（电气和电子工程师协会）推荐的励磁机模型建立相复合交流励磁系统模型[4]。

（1）相复合励磁系统的模型表示为d，q分量：

（4）

式中：

Ur----相复合励磁单元的输出电压;

Ud----发电机d轴的电枢端电压;

Uq----发电机q轴的电枢端电压;

k

x----移动方向的电抗。

（2）电压差模型：

（5）

式中：

Uref----自动电压调节器的参考电压;

Ustab----接地零电压;

Uf0----励磁电压的初始值；

Ka----励磁机的有效增益；

Tr----低通滤波器的时间常数;

Uff----反馈回路的输出电压;

△U----综合后的电压差分信号。

（3）补偿器模型：

（6）

式中：

Uc----补偿器的输出电压;

Tc----补偿器超前补偿的时间常数;

Tb----补偿器滞后补偿的时间常数。

（4）放大器模型：

（7）

式中：

Ua----放大器的输出电压;

Ka----放大器的增益;

Ta----放大器的时间常数。

（5）比例饱和回路模型：

（8）

0le;Efle;Efmax并且Ef=Efd。

式中：

Efd----电压调节器（电压差调节和相位配合励磁调节的组合功能）的输出电压;

Ef----比例饱和回路的输出电压;

Efmax----比例饱和回路的最大输出电压;

（6）交流励磁机数学模型

简化后，交流激励器的数学模型可以表示为一阶回路，如下：

（9）

式中：

Ke----交流励磁机的时间常数。

（7）反馈稳定性环路：

（10）

式中：

Kf----反馈环路增益;

Tff----反馈回路的时间常数。

相控复合励磁无刷交流励磁系统的仿真模型由上述多个数学模型组合建立，如图6所示：

图6 AVR励磁调节器的仿真模型

5.2.2 PSS的控制模型

基于PID控制原理的PID控制方法得到了广泛的应用，但是这种控制方法不能实现更好的励磁控制性能，并且不能解决电力系统的低频振荡问题。因此本文采用AVR PSS（电力系统稳定器）励磁控制方法，它是在AVR的基础上构建一种辅助校准链路PSS，从而构成AVR PSS励磁控制模式。AVR PSS励磁控制系统的AVR单元使用PID调节模式计算， 而PSS主要用于解决电力系统频率振荡，也作为辅助校准，可以提高励磁系统的控制性能[5]。

励磁系统和发电机绕组具有相位滞后特性，滞后相角可表示为[6]：

（11）

式中：

omega;----低频振荡频率，

KA----励磁系统传递函数的增益：

TA----励磁系统传递函数的惯性时间常数；

Xa----传输线路的电抗。

为了抵消这个滞后角phi;，PSS必须具有高提前链路。通常提前链接是两个层次，其传递函数可以表示为：

（12）

当T1 = T3，T2 = T4时，上述公式可表示如下：

（13）

根据上述数学模型，PSS仿真模型如图7所示：

图7 PSS的仿真模型

将PSS模块添加到图1中，我们完成了AVR PSS励磁系统的建立。 如图8所示：

图8 AVR PSS励磁系统建立

6 模拟测试

我们在MATLAB / simulink环境中进行了模拟测试。 仿真参数设置：同步发电机额定输出功率为3MW; 额定电压为450V; 频率为50Hz; 发电机电阻Rs = 0.0028Omega;; 励磁电压基准为1pu; 转子角速度为1pu。

同步发电机的其他标准参数：

Xd=1.305；Xrsquo;d=0.296；X”d=0.252；

Xq=0.474；Xrsquo;q=0.000；X”q=0.243；

Trsquo;d=1.01；T”d=0.053；T”q=0.13；p=4。

图9 系统突然增加100％静态负载时的响应

图9给出了系统启动时突然增加100％静态负载的动态特性曲线。 曲线包括四个变量：功率角，角速度，电压Ut，励磁电压Uf。由图4可知，当突然增加100％静态负载时，系统动态电压变化phi;=12％，稳定时间T=1.5s，动态速度变化phi;= 7％，稳定时间T=2.5s。

7 结论

同步发电机的励磁控制和船舶电站柴油机的转速控制是提高船舶电力系统稳定性的重要手段。从仿真实验结果可知，转速控制系统和AVR PSS励磁控制系统的动态特性完全满足要求。当电力系统带负载运行时，控制器的响应更快，鲁棒

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