（电机与电器专业论文）应急柴油发电机组仿真研究.pdf

应急柴油发电机组仿真研究 r e s e a r c ho ns i m u l a t i o no fe m e r g e n c yd i e s e lg e n e r a t o rs e t a b s t r a c t i no r d e rt og u a r a n t e et h a tt h en u c l e a rp o w e rp l a n t s ，f a c t o r i e s ，m i n e sa n ds h i pp r o p u l s i o n s y s t e m s1 1 1 1 1s a f e l ya n dr e l i a b l y ，t h ee m e r g e n c yd i e s e lg e n e r a t o rs e tm u s th a v eh i g hs t a b i l i t ya n d f a s tr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h et e c h n i q u er e q u i r e m e n t so ft h es y n c h r o n o u sa n di t s e x c i t a t i o ns y s t e ma r em o r eh i g h e r t h r o u g ht h eu s eo fs y s t e ms i m u l a t i o nm e t h o d ，t h i sp a p e r d e s i g n st h ee x c i t a t i o ns y s t e ma n de l e c t r o n i cs p e e dr e g u l a t o ro ft h ee m e r g e n c yd i e s e lg e n e r a t o r s e t , a n dp r o v i d e sg u i d a n c ef o rt h ed e s i g no ft h es y n c h r o n o u st h r o u g hs i m u l a t i o na n da n a l y s i s f i r s to f a l l ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t st ot h ee m e r g e n c yd i e s e lg e n e r a t o rs e to f n a t i o n a l s t a n d a r d sg b t2 8 2 0 ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e da l le m e r g e n c yd i e s e lg e n e r a t o rs e ts i m u l a t i o n m o d e li nm a t l a b i n c l u d i n g t h ed i e s e l e n g i n e ， e l e c t r o n i c s p e e d r e g u l a t o r ， p h a s e - c o m p o u n d i n gb r u s h l e s se x c i t a t i o ns y s t e ma n ds y n c h r o n o u su s i n gt h es t a b i l i t yt h e o r yi n p o w e rs y s t e m s e c o n d l y ，t h i sp a p e rs i m u l a t e dt h ep r o c e s s e so fs u d d e ni n c r e a s ea n dd e c r e a s e6 0 r a t e d l o a do ft h es y n c h r o n o u sm a c h i n e ，a n dv e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e lb yc o m p a r i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dt h es i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e na p p l i e dt o t h ee n g i n e e r i n gd e s i g n t h e nt h ep r o c e s s e so fd i r e c ts t a r t u pa s y n c h r o n o u sm o t o ra n dp a r a l l e lo p e r a t i o no ft h e e m e r g e n c yd i e s e lg e n e r a t o rs e tw e r es i m u l a t e d a n dt h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ea p p r o a c ht o c h o o s et h em a x i m u ms t a r t u pp o w e ro ft h ea s y n c h r o n o u si nt h ee m e r g e n c yd i e s e lg e n e r a t o rs e t a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp r i n c i p l e so ft h ea s y n c h r o n o u ss o f ts t a r t e r ，t h es t r u c t u r ea n d t h ep r i n c i p l eo ft h es o f ts t a r t e rw e r es t u d i e d as l o p ev o l t a g es o f ts t a r t e ra n dac o n s t a n tc u r r e n t s o f ts t a r t e rw e r em o d e l e d ，a n dt h es o f ts t a r t i n gp r o c e s s e su n d e rt h e mw e r es i m u l a t e d b y c o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h et w os o rs t a r t e r s ，t h ec o n s t a n tc u r r e n ts o f ts t a r t e rw a su s e dt o c o n n e c t i n gt ot h ea s y n c h r o n o u sm a c h i n ea st h el o a do ft h ee m e r g e n c yd i e s e lg e n e r a t o rs e t ， t h e nt h es t a r t i n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec u r r e n tc o u l db er e d u c e dt o o n et l f f r do fi t so r i g i n a lv a l u eb yu s i n gt h es o f ts t a r t e r ，a n dt h el o a do ft h ee m e r g e n c yd i e s e l g e n e r a t o rs e tc o u l db ei n c r e a s e dt o2t i m e st h eo r i g i n a lv a l u e f i n a l l y ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e da ne m e r g e n c yd i e s e lg e n e r a t o rs e ts i m u l a t i o ns o f t w a r e b a s e do nm a t l a bg u i ，t h r o u g hw h i c hu s e r sc a ne a s i l ys e tp a r a m e t e r s ，s t a r to rs t o pa s i m u l a t i o n ，m o d i f ya n ds i m u l a t et h es i m u l i n km o d e l s ，o b s e r v er e s u l t su n d e rd i f f e r e n ts e t t i n g ， e t e t h i ss o r w a r es i m p l i f i e st h ep r o c e s sa n dp r o v i d e sa ne f f e c t i v ea n a l y s i sm e a n st ot h e e n g i n e e r i n gd e s i g no ft h ee m e r g e n c yd i e s e lg e n e r a t o rs e t i i - 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：e m e r g e n c yd i e s e tg e n e r a t o rs e t ；p h a s e - c o m p o u n d i n g ；b r u s h t e s s e x c i t a t i o ns y s t e m ；s im u t a t i o n ；m a t l a b i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目：叁丝鉴豳超重巡呦! 蕴 作者签名：猛纽兰：日期：丛2 年上月丛日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 毖竖幽丝也丝邀础 作者签名：磊臣超兰：日期：苎翌年l 月二兰日 导师签名：主止羔至崖：日期：苴年月j 丝日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景及意义 用户的自备电源通常是作为用户一些重要负荷的备用，或称“应急电源 。当用户 的正常供电电源( 公共电源) 因故中断供电时，由自备电源继续向重要负荷供电。应急柴 油发电机组是应急电源设备中重要的一种，对保证用电可靠性，保障人身和财产的安全 起着重要的作用。 按照i e c 和国家标准的有关规定，应急柴油发电机组主要是为一级负荷中特别重要 负荷及消防负荷供电。除此之外，为充分发挥柴油发电机组的作用，尤其是作为第二电 源时还可以向一、二级负荷或一些比较重要的商用负荷供电。一级负荷，要求供电系统 无论是正常运行还是发生事故时，都能保证其连续供电。由于柴油发电机的容量较大， 可并机运行且持续供电时间长。可独立运行，不与地区电网并列运行，不受电网故障的 影响，可靠性较高。尤其在常用市电不很可靠的情况下，把柴油发电机作为备用电源， 既能起到应急电源的作用，又能通过低压系统的合理优化，将一些平时比较重要的负荷 能在停电时使用，因此得到广泛的应用【l 】。 2 0 0 8 年在我国冰冻雪灾、汶川地震等重大自然灾害面前，应急发电设备行业发挥了 较大作用，引起了国家相关部门的重视并得到了广泛认可；我国核电市场前景非常广阔， 核电站用应急柴电机组是保证核电站安全可靠运行的重要设备，是核电站十六项关键设 备中尚未国产化的设备之一，根据国家核电自主化的政策，国内核电站用应急柴电机组 市场前景非常广阔1 2 。在船舶电站、厂矿企业中应急发电更是必不可少的关键环节，应 急发电设备行业面临着巨大的机遇。 但是，长期以来，发达国家的发电机组产品占领我国相当大一部分市场，而我国的 产品出口量却不大，究其原因，技术、质量和品牌不能不说是重要因素。例如我国核电 站应急柴电机组主要依赖进口，市场几乎由国外公司垄断。如a l s t o m s e m tp i e l s t i c k 公司用p c 系列机和p a 6 系列机，s i m e n s m t u 公司用m t u 9 5 6 机。深入研究应急 柴电机组技术迫在眉睫。 应急柴电机组其中一项关键技术就是机组加载程序的仿真计算。该技术决定了柴油 机、发电机的选型和机组的总体设计要求。通过对应急柴油发电机组中关键设备建立数 学模型，对系统进行研究分析，可以用软件的虚拟设备代替实际设备，增强了灵活性和 可扩展性，在保证数学模型具备一定精度的前提下，可以模拟系统运行的实际问题，对 应急柴电机组技术的研究有着实际的指导意义。 应急柴油发电机组仿真研究 1 2 国内外研究动态 应急柴油发电机组由柴油机及其调速系统、发电机及其励磁系统组成，对机组的仿 真研究重点就是对柴油机及其调速系统，发电机及其励磁系统进行建模，然后选择合适 的仿真工具进行仿真。 1 2 1柴油机及其调速系统发展概况 仿真考虑的重点不同，所建立的模型也不同，同一模型可以多个输入和多个输出， 建立模型时首先要把目标放在系统中衡量，看它在系统中起到什么作用，起决定性作用 的输入和输出分别是什么，然后再建立仿真模型。 一般用于控制分析的柴油机动态模型分为3 类：线性模型、准线性模型和非线性模 型【3 1 。线性模型和准线性模型结构简单，容易构造，但同时仿真精度低，难以全面反映 柴油机的动态过程，因此多年以来，对柴油机非线性模型的研究一直是研究的重点也是 难点。 柴油机非线性模型主要有：循环波动模型、充排模型和准稳态模型等【4 巧】。二 十世纪五十年代初期，涡轮增压柴油机模型主要采用准稳态法，l e d g e r 和w a l m s l e y 通 过采用准稳态法，在一台复合型计算机上实现了涡轮增压柴油机的仿真，考虑了曲轴和 涡轮增压器动力学。w i n t e r b o n e 等人用充一排法建立了一个涡轮增压柴油机动态模型， 在气道进气概念方面有明显的优点，最初用于仿真定转速下不稳定热力学和气体流动过 程，获得了满意的结果。进入二十世纪九十年代以后，h e n d r i c k s 、k a o 和m o s k w a 等人 总结前人经验，进一步完善了发电机控制模型。h e n d r i c k s 建立的大型二冲程涡轮增压 柴油机动态平均值模型不包括对进、排气或燃烧过程的描述，它仅仅是通过描述曲柄转 速、进排气压力、空气质量流量和其它几个可测的变量来体现过程的整体效果，这样， 就可以把看不见的发电机内部变量联系起来，它可以准确的动态预测必要的发电机变量 的值，且模型结构紧凑，运算速度快，被广泛用于发电机的控制分析。 k a o 和m o s k w a 提出了实时平均转矩模型和详细的热力学分缸模型，这两种具有不 同复杂程度的发动机模型给控制工程师们提供了工具，它们或可用于形成控制和诊断算 法，或可用作发动机模拟器。m o s k w a 的平均转矩模型是准稳态模型和充喇 模型的 结合体，它包括几个经验代数方程和一阶差分方程，方程中都需要经验数据，它的优点 是简单、计算量小同时又有代表性，可用于发动机的实时仿真和涡轮增压器的匹配，发 动机的许多非线性特点都得到较好的体现和实时实现。但是缺点是必须依赖于大量的经 验数据，在一定程度上只适合于特定的发动机。 大连理工大学硕士学位论文 柴油机调速器经历了机械式调速器、液压式调速器和电子调速器发展过程，目前电 子调速器是应用最广泛也是最有发展前途的一种调速器。国内柴油机实现电控化的途径 一般是在原有柴油机结构改动较小的情况下加装执行器控制喷油装置，实现电子调速， 这方面我国的基础薄弱、经验较少。国外已经开发出电控调速器、电控喷油泵、电控喷 油提前器、电控废气再循环和电控进气涡流等支系统，目前对电子调速器的研究方向是 通过计算机接口与计算机连接，用计算机模拟各种发电机特性，进行调速器性能的考核， 如美国。w o o d w a r d 公司的a k 6 型电子调速器实验装置，日本n a b c o 公司的数字式 电子调速器实验装置等。 在调速器控制方法方面，传统的p i d 控制以其简单可靠、适应性和鲁棒性强、实现 容易等优点广泛应用与实际工业过程中，即使在现代控制飞速发展的今天，仍有9 0 以 上的控制回路采用p i d 控制，与此同时模糊控制、神经网络等智能控制方法也越来越多 的获得应用，是今后的发展方向。 1 2 2 发电机励磁控制系统发展概况 同步发电机发展至今，其数学模型已经非常成熟，在这里简要介绍励磁控制方式的 发展概况【6 删。 自5 0 年代至今，励磁控制技术有了极大的发展。概括地说，励磁控制方式的演绎 大致经历了单变量输入及输出的比例控制方式、线性多变量输入及输出的多变量反馈控 制方式以及伴随控制理论发展起来的非线性多变量控制方式等几种主要的演绎阶段。 ( 1 ) 基于古典控制理论的单变量控制方式 在5 0 年代初期，在励磁控制方面，主要采用了下列几种励磁调节方式：按发电机 端电压偏差进行比例调节励磁的比例式励磁调节方式；按发电机定子电流作为扰动量进 行补偿的复式励磁补偿调节方式；按发电机端电压和定子电流及功率因数角等信号进行 综合相位补偿控制的相补偿式励磁调节方式。 在励磁控制规律方面，这一时期的励磁调节器多属于按发电机电压偏差进行负反馈 控制的比例式调节，或者按发电机电压偏差的比例、积分、微分进行控制的所谓p i d 调 节方式。它在一定程度上提高了系统的静态和暂态稳定性，但是仍然无法有效地解决其 在调节精度和稳定性之间的矛盾。 随着高起始快速离子励磁系统的应用，发生了所谓动态稳定问题，电力系统稳定器 p s s ( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ) 随之出现，但是，p s s 在多机系统中还存在一些问题尚未 解决。 ( 2 ) 基于现代控制理论的线性多变量控制方式 应急柴油发电机组仿真研究 自19 6 0 年p e 卡尔曼( k a l m a n ) 建立现代控制理论基础以来，现代控制理论在电力系 统研究中的应用越来越越广泛。由于电力系统是一个多变量、复杂的非线性系统，因此， 应用古典的线性单变量控制理论分析上述系统便受到了诸多的限制，而应用建立在状态 空间描述方法基础上的线性多变量现代控制理论，则较易解决这些问题。 为了改善在小干扰条件下发电机的静态及动态稳定品质，我国的科学工作者曾将多 变量的线性最优控制理论应用到励磁系统的控制中。由清华大学研制的线性最优励磁控 制调节器曾在一些大型水电厂中获得了应用。最优控制的含义是在一定具体条件下，使 控制过程的偏差达到最小，达到终值的预期时间为最快，终值为最优，而控制能量为最 小。 ( 3 ) 非线性多变量控制方式 近十几年来，将微分几何引入非线性控制系统的研究中，取得了开拓性的进展。 在近代微分几何新的理论体系中，有一分支即非线性系统状态反馈精确线性化理论 得到了最为迅速的发展，并在工程中得到了应用。应用上述理论设计的非线性励磁控制 器，采用了可覆盖大干扰和小扰动各种动态过程的电力系统非线性模型，并基于微分几 何原理将电力系统描述为一个标准的仿射非线性系统，同时在特定条件下，其控制规律 表达式中没有网络参数，为此这种非线性控制器能有效地改善电力系统中在大扰动和小 干扰情况下的稳定性，并适应于电力系统运行方式的各种变化，对网络参数变化具有良 好的鲁棒性( r o b u s t ) 。此外，因系统的控制规律是分散的，即控制器的输入量在机端均 是可测的，故易于实现。依据上述理论，由清华大学卢强教授率先开拓的非线性励磁控 制器在工业中已获得了应用。 ( 4 ) 智能励磁控制 智能励磁控制方式包括了人工神经网络控制、模糊控制、专家控制、以及基于遗传 算法的控制等。他们的基本特点是不依赖于对象系统的精确数学模型，而是基于某种智 能概念模型将控制理论和人的经验及直觉推理相结合，具有处理非线性、并行计算、自 适应、自学习和自组织等多方面的能力和优点。其中，智能技术既可以作为一种上层策 略以实现在线或离线调整或优化原有非智能控制器的参数和结构，也可以作为一种底层 控制规律来取代原有励磁控制的某一环节，实现特定的控制算法或映射关系。 1 3 本文的主要工作 本文在参阅大量文献资料的基础上，着力于研究如何精确分析应急柴油发电机组的 动态性能，主要工作集中在应急柴油发电机组的建模与仿真上，具体内容如下： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 研究柴油机及电子调速器的原理，对柴油机及电子调速器的数学模型做相应 修改，建立合适的仿真模型，使其输出信号符合应急柴油发电机组系统需要。 ( 2 ) 建立相复励无刷励磁系统的数学模型以及s i m u l i n k 环境下的仿真模型，具体 包括相复励装置、自动电压调节器( a v r ) 和交流励磁机。研究相复励装置在励磁系统 中的作用环节，讨论自动电压调压器中两种不同校正方法的应用，研究交流励磁机数学 模型的简化方法。 ( 3 ) 应用仿真模型对系统突加、突减6 0 额定负载过程，与实验数据对比验证仿 真模型的正确性。 ( 4 ) 对系统直接带异步电动机启动过程进行仿真研究，对实际应用中异步电动机 最大起动功率的选择提供指导。 ( 5 ) 根据机组并联运行原理建立机组并联仿真模型以及并车控制装置模型，对并 车过程进行仿真研究。 ( 6 ) 建立异步电动机斜坡电压软起动器和恒流软起动器的仿真模型，对直接起动 过程和两种软起动过程进行仿真研究。 ( 7 ) 对应急发电机组带带软起动器的异步电动机起动过程进行仿真，以研究软起 动器对应急发电机组性能的影响。 ( 8 ) 基于m a t l a bg u i 平台设计柴油发电机组仿真软件，使其集参数设置与仿 真过程于一体，能够方便地对s i m u l i n k 模型进行修改和仿真，并能够方便的显示出不同 工况下系统的仿真结果。 应急柴油发电机组仿真研究 2 应急柴油发电机组建模 柴油发电机组由柴油机及其调速系统、发电机及其励磁系统组成，系统结构框图如 图2 1 所示【1 1 1 。柴油机供给发电机原动力，而调速系统通过检测实际转速，调节柴油机 的输出动力大小，构成转速的闭环控制，在一定负载变化范围内保证发电机的转速稳定， 保证电压的频率稳定。发电机的励磁系统通过检测发电机端电压和负载电流调节励磁电 流大小，构成电压的闭环控制，调节其输出无功功率，保证发电机的输出电能的质量。 图2 1 柴油发电机组系统结构框图 f i g 2 1 s t r u c t u r eo f t h ed i e s e lg e n e r a t o rs y s t e m 2 1柴油机和调速系统原理及其建模 2 1 1 柴油机及调速系统原理 柴油机是柴油发电机组的动力部分，它是在恒定转速下工作，因此，柴油机上的调 速器应有良好的稳定性和调速性【1 2 1 。柴油机带动发电机工作时，发电机输出电流的大小 随着负载工作的需要发生变化。从功率公式p = u l c o s t p 可知，电流发生变化，功率就要 发生变化，功率和转速是有密切关系的， t = 9 5 5 0 p n( 2 1 ) 其中，r 一转矩( n ) ，p 一功率( k w ) ，刀一转速( r m i n ) 。 功率发生变化，转速就会发生变化，转速忽高忽低，则发电机的电压和频率就不稳 定，就会影响用电设备的正常工作，因此，柴油机调速系统的工作特点是要求转速恒定。 柴油机转速变化时，可燃混合气的数量、成分变化不大。因此，通过燃烧产生的扭 矩变化也不大。柴油机扭矩速度特性的这一特点，使柴油机在负荷( 阻力矩) 略有变化 时，会引起其转速很大的变化。在操作人员不能及时操作加速踏板改变喷油泵循环供油 大连理工大学硕士学位论文 量的情况下，柴油机或因负荷( 阻力矩) 增大而转速迅速下降，以至熄火：或因负荷( 阻 力矩) 减少而转速立即升高，甚至出现超速运转及“飞车现象。另一方面，从喷油泵 的速度特性对柴油机转速的影响来看：当柴油机负荷( 阻力矩) 减少而转速立即升高时， 需要减少循环供油量，而相反地，喷油泵却增大循环供油量( 原因是随着柴油机转速升 高，喷油泵柱塞套油孔的节流作用加大，使油泵供油始点提前，供油终点延迟，柱塞副 泄漏时间减少) 。可燃混合气成分有稀趋向合适，质量得到改善，燃烧速度加快，促使 柴油机转速越来越高。反之，当负荷( 阻力矩) 增大，柴油机转速降低时，需要循环供 油量相应增加，而喷油泵却又减少了供油量，使可燃混合气成分变稀，质量变差，燃烧 速度变慢，促使柴油机转速降低。可见，喷油泵的这一特性进一步降低了柴油机转速的 稳定性。因此，为了使柴油机在负荷变化的情况下，在需要的某一转速下运转，防止意 外熄火和超速运行，柴油机上必须安装调速装置，以保证柴油机的稳定运行【l 引。 按功能来分类，柴油机调速器可分为单极调速器、两极调速器、全程调速器和全程 两极组合式调速器。按结构和工作原理来分类，柴油机调速器可以分为：机械式调速器、 液压式调速器和电子调速器1 1 4 以引。 ( 1 ) 机械式调速器：机械式调速器的设定转速是由调速弹簧的压缩量决定的。一 个压缩长度，对应着一个转速。因此，可通过改变调速弹簧的压缩长度来得到原动机的 设定转速。其优点是结构简单，成本低廉，且已积累了长期的使用与维修经验，目前仍 在柴油机特别是中小功率柴油机上得到广泛的应用。其缺点是有速度降，即随着负载的 增加，具有速度下降的特性；产生的调节力在低速时较小，故这种调速器只适用于高速 的中小功率柴油机。 ( 2 ) 液压式调速器：液压调速器在感应元件和油量调节机构之间加入一个液压放 大元件( 液压伺服器) ，使感应元件的输出信号通过放大元件再传到油量调节机构上去， 因此也叫间接作用式调速器。液压放大元件有放大兼执行作用，其中，转速感应元件仍 采用离心式飞锤，其功能只是将转速变化的信息转换为控制液压机构滑阀的运动，而调 节力的放大、连接喷油泵齿杆的助力活塞的运动、齿杆运动信号或转速的反馈以及其他 许多附加功能，则由液压系统来完成。液压调速器转速调节范围广、调节精度高、稳定 性好、通用型强，但其结构复杂、调试及维护所要求的技术较高。广泛用于大、中型柴 油机。 ( 3 ) 电子调速器：在机械液压式调速器能够满足控制要求的场合，是没有必要使 用电子调速器的。电子调速器的优点在于在控制燃料时，只要将控制参数全部转换为电 信号就可以采用了。其响应时间可以达到机械液压式调速器的1 1 0 1 2 ，因此，适应范 围非常广泛。在电子调速器中，不采用离心飞锤为转速感应元件，而是用各种电测方法 应急柴油发电机组仿真研究 来确定转速的大小，而且转速的测量、设定、比较与调节均采用电子控制，因此整个系 统具有很高的响应速度与调节精度，也易于准确地实现恒速调速，能够满足柴油发电机 组的无差并联运行的要求，因此是一种有发展前途的调速器。 采用电子调速系统的柴油机转速调节系统框图如图2 2 所示1 6 - 17 j ： 图2 2 柴油机转速调节系统框图 f i g 2 2 t h e d i e s e ls p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m 电子调速器一般由以上四部分组成：控制器、执行器驱动机构、执行器和转速传感 器。电子调速器工作原理如下：转速传感器一般采用脉冲式转速传感器，无接触地从飞 轮中测量发动机转速，输出脉冲信号，其频率与转速成比例，并把它送给控制器。控制 器对所获取的脉冲信号进行频率电压转换，使之成为相应的电压信号，然后将模拟电压 量变成数字信号。在控制器内将获取的转速信号同设定转速值进行比较，并以比较结果 为基础进行p i d 计算，并向执行器驱动机构输出控制信号。随着科技的发展，控制器除 采用p i d 控制外，模糊控制、最优控制、自适应控制等也逐渐被采用并不断趋向成熟。 执行器驱动机构一般采用运算放大电路或伺服电机驱动器，将控制器送来的控制信号进 行放大或者转换，驱动执行器相应地调节柴油机的供油量。从而达到对柴油机的转速调 节。 2 1 2 柴油机的数学模型 柴油机的输入信号为控制油门的机械位移，由图2 2 可知，其输出信号为速度刀， 需求得”关于的方程。 根据达兰贝尔原理，机组的运动方程为： d j 盲k p q i = m d m c ( 2 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 式中：卜机组转动惯量( 柴油机、发电机及传动装置等转动惯量和) ； 一柴油机曲轴角速度； k 一与发电机阻尼绕组电阻成正比的阻尼系数； p 一发电机磁极对数； 舰一柴油机输出转矩； 尥一柴油机阻力矩。 柴油机输出转矩m a 在运行中，主要是柴油机转速以和电子调速器输出轴位移l 的 函数，即m d = f ( n ，i d 。发电机阻力矩必也主要是柴油机转速n 和发电机负载功率p 2 的函数，即m c - f ( n ，p 2 ) 下面我们分析m a 和必的表达式。 柴油机的速度特性平坦，具有非线性特征，可以用若干个线性段来逼近，从而达到 准确研究的目的。综合柴油机的速度特性与调整特性。得到m a 的表达式为： = 向疗+ 6 ，一础 ( 2 3 ) 式中：- - 1 ，2 ，1 1 ，对于各个分段，肠，b l 取不同的值； 口：筝，其中蟛为柴油机的最大扭矩，n m l q 厶一电子调速器输出轴的最大行程，m m 。 在发电机阻力矩特性线中略去空载损耗等，即为发电机的功角特性。对于凸极同步 发电机，其功角特性表达式为： 硼警s i n 0 + m 譬圣一扣删 旺4 ， 式中：一发电机输出电磁功率。 肌一相数； 磊一发电机空载电势；u 一端电压5 局一发电机同步电抗；一发电机q 轴电抗； 9 一功率角。 0 角与发电机负荷和柴油机转速都有关系，可以将0 角分为两部分，表示为： 0 = 0 。+ a 0 ， ( 2 5 ) 式中：0 肘对应于某一负荷平衡工况的功角，它是常量( 稳态值) ； 0 ，为平衡工况振荡时的瞬时功角，它是变量( 瞬态值) 。 a 0 ，= k z x n ( 2 6 ) 应急柴油发电机组仿真研究 式中：后：丝。 由转矩和功率、转速之间的关系可得阻力矩为： m ：9 5 5n 2 ：9 5 5 墨- ( 2 7 ) 将式( 2 4 ) 代入可得： 丝= 警 垅f f 警a u ss i n ( 0 m + k 姊聊譬圣一击) s i n 2 ( 0 , + k 锄) 旺8 ， 必随负荷与转速变化，发电机空载时0 册= o ，a 0 ，= 0 ，删；发电机负载时，0 脚取 一定的数值，在功角未达到平衡工况时，a n 起主要作用，0 = e 脚+ k a n ，振荡结束后， a n = 0 ，0 = e ，。式( 2 8 ) 可用于系统动态分析的计算 柴油机转速厅与曲轴角速度。的关系为： ：2 n n( 2 9 ) 代入式( 2 2 ) 可得： j 三3 0 塑d t + 等n 一= v 一心 ( 2 1 0 ) 1 j 一一十一2 一坦 k 厶u ， 3 0 。 空载时m 产o ，柴油机的传输函数为： 哪) = 器= 赢 t ， 式中：驴等；死= 百k p n k 。 2 1 3 电子调速系统数学模型 ( 1 ) 转速传感器 转速传感器的输入量是柴油机转速即，而输出量是频率，它是与柴油机转速成比例 的脉冲电压信号，经过控制器中的频率电压转换成与柴油机转速成正比的直流电压信 号雌为了便于分析，我们把转速传感器与频率电压转换器看成一个整体，定义它的 增益为墨，则它的传递函数为： 郇) = 等= 墨 ( 2 1 2 ) ( 2 ) p i d 控帝0 器 大连理工大学硕士学位论文 p i d 控制器的输入为给定转速和反馈转速之差，输出为经过调节的电压信号，控制 执行器驱动机构及执行器给柴油机供油，以保证转速的稳定。由经典控制理论可知，其 作用是对系统进行串联校正，使系统在保证稳定性的前提下有良好的动态特性。 p i d 控制器的动态方程式为： “( f ) = ip o ) + 砉卜o ) 出+ 乃百d e ( t ) l i ：2 1 3 ) 式中：u ( o 为控制器输出的电压信号o e ( o 为转速差，设给定转速为如，反馈转速为k m ，则p ( r ) = 如一k i n ； l 为比例系数； 乃为积分时间常数； 乃为微分时间常数。 由式( 2 1 3 ) 得其传输函数为： r1 g 2 ( 垆砧- i “嘉+ 乃si q j 4 ) ( 3 ) 执行器驱动机构及执行器 该环节将控制器输出的电信号变为机械位移信号，输出控制柴油机。从本质上看， 输出就是对输入的电信号进行一定的比例放大、经一定时间延迟而得到的，所以可以等 效为一个一阶惯性环节。 其传输函数为： g ( s ) ：掣：量 ( 2 1 5 ) 一 上( j ) l + ? j s 式中：l 为机械位移信号； 局为该环节的放大倍数； 乃为环节的时间常数。 2 1 4 柴油机及其调速系统的仿真模型 在整个应急柴油发电机组中，柴油机及其调速系统的作用是为发电机提供原动力， 根据转速的波动输出不同的转矩，使得整个系统始终处于恒速的运行状态，以保证发出 电能的质量。 由此可知，柴油机及其调速系统的仿真模型的输入是发电机的转速，输出是转矩信 号，而柴油机及其调速系统的数学模型控制对象是转速，要得到适合系统的仿真模型还 必须做相应的修改。 应急柴油发电机组仿真研究 从式( 2 3 ) 中可导出输出转矩和转速的关系，由柴油机的速度特性引入和柴油机性 能相关常数岛、b l 和a ，即可得到发电机需要的转矩。 综合以上环节，可得柴油机调速系统的仿真模型图如下： 图2 3 柴油机调速系统仿真模型 f i g 2 3 s i m u l a t i o nm o d e lo f t h ed i e s e ls p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m 2 2 同步发电机 同步发电机是系统的主要元件，电磁暂态和机电互动现象十分丰富，模型的建立和 求解往往决定着仿真的精度和能够反映实际系统动态过程的程度，对于系统的各种扰动 来说，一般都是先引起电磁过渡过程，然后才是机电过渡过程【l8 】。因而建立一个合适准 确的同步发电机模型十分重要。 2 2 1同步发电机数学模型 同步电机就其电磁关系而言，不过是一些相互有电磁联系的线圈而已。在三相同步 电机中，这些线圈就是三个不动的定子绕组a ，b ，c 及与转子一块转动的励磁绕组厂和 阻尼绕组1 ，2 ，3 - - k 厅。但是由于转子的转动，定子绕组的自感及他们之间的互感， 以及转子绕组与定子绕组之间的互感，都随着转子位置的变化而变化，即随着时间而变 化。因此，研究同步电机的过渡历程，就比研究静止式电路的过渡历程要复杂得多【1 9 1 。 为了研究方便，在推导同步发电机的方程时，作如下假设 2 0 1 ： ( 1 ) 就定子与转子的相互影响而言，定子绕组磁场沿气隙是正弦分布的； ( 2 ) 定子槽不会引起转子电感随转子位置而变化； ( 3 ) 忽略磁滞的影响； ( 4 ) 忽略磁饱和的影响。 大连理工大学硕士学位论文 根据以上条件，可以写出同步电机各个回路的基本方程式。这是一组很复杂的，带 有周期性变化系数的方程式。为了简便起见，一般是利用“转换坐标”或“转换变数” 的办法来进行研究的。研究同步电机过渡历程时，在实用上，是应用以下三种坐标系统 的： ( 1 ) 在空间相对于定子不动的坐标系统，即把坐标轴放在定子上的方法( 口，6 ， c ：仪，d ，0 及l ，2 ，0 法) ； ( 2 ) 在空间随转子一块转动的坐标系统，即把坐标轴放在转子上的方法，g 及 f ，b 法) ： ( 3 ) 同步恒速转动坐标系统，即坐标轴以同步恒速在空间转动的方法( 盛，吼及 e ，历法) 。 当然，还可以选择其他一种以任一转速在空间转动的坐标系统，但是，这样只能使 问题更加复杂。 同步电机由0 坐标下的暂态方程称为派克方程，它是一组非线性的微分方程组。采 用d ，q 坐标变换有以下优点：在对称的条件下，不出现零序量；对称稳态运行时，定 子量为恒值，在其他运行方式时，它们随时间变化；与d 轴和g 轴有关的量可由定子端 来测量。因此派克变换及同步电机的派克方程在实用分析中得到广泛的应用。 d - q 轴等效电路图如图2 4 所示【2 1 】： v q 】q 心弦+ 泛芬- q 麟h 舔 ，： 。 铅v 如 ：上。：a 口i 缘， 、0 】dl m 援：女二 d 趟s m 图2 4 同步发电机d - q 轴等效电路 f i g 2 4d - qa x i se l e c t r i c a lm o d e lo f t h es y n c h r o n o u sm a c h i n e 全部电气量是从定子侧看的，上标带有一撇的是折算到定子侧的转子电量，同步发 电机模型方程式如式( 2 1 6 2 2 1 ) 所示： 屹一冠+ 警一 ( 2 1 6 ) 应急柴油发电机组仿真研究 巧：一r + 婴一伤 ( 2 1 7 ) 巧= 一r + 詈一伤 ( 2 1 7 ) = 屹囊l 誓 ( 2 1 8 ) y - 耐= 乞+ 譬 ( 2 。1 9 ) y 旷，锄+ 争 ( 2 2 0 ) 矿t 。2 - - ：幺：+ 譬 ( 2 2 1 ) 式中：伤= 厶+ k ( 妇+ 拓) ；= + ； 畋= - t + k ( + 幺) ：死= 如+ k + 岛) ； ，= t 岛。+ ；死z = ：幺z + i g ； 变量定义的一般规律为，下标以g 表示d 轴、q 轴的量；下标s ( 或j ) 、r ( 或，) 表示定转子的量；下标，、m 表示漏感、互感量；下标 后表示励磁绕组、阻尼绕组量。 具体的参数定义如下： 墨：定子电枢电阻； 尺名：折算到定子侧的d 轴励磁绕组电阻； 哎：折算到定子侧的d 轴阻尼绕组电阻； 屹。：折算到定子侧的q 轴阻尼绕组1 的电阻； 屹：折算到定子侧的q 轴阻尼绕组2 的电阻； 巧：q 轴电势； 目：d 轴电势； 矿埘：折算到定子侧的d 轴阻尼绕组电势； y 掰：折算到定子侧的d 轴励磁绕组电势； y 幻：折算到定子侧的q 轴阻尼绕组1 的电势； y 幻：折算到定子侧的q 轴阻尼绕组2 的电势； 伤：定子d 轴磁链； 伊z ：折算到定子侧的d 轴励磁绕组磁链； 死：折算到定子侧的d 轴阻尼绕组磁链； 死。：折算到定子侧的q 轴阻尼绕组1 磁链； 大连理工大学硕士学位论文 殖：折算到定子侧的q 轴阻尼绕组2 磁链； ：电枢q 轴电流：电枢d 轴电流： 幺：g 轴阻尼绕组电流： ：d 轴阻尼绕组电流： 岛：折算到定子侧的d 轴励磁电流； 幺：折算到定子侧的d 轴阻尼绕组电流； 幺。：折算到定子侧的q 轴阻尼绕组1 电流； 名：折算到定子侧的g 轴n ) g 绕组2 电流； ：d 轴漏感；k ：q 轴漏感； k ：d 轴互感；：g 轴互感； 三z ：折算到定子侧的d 轴励磁绕组漏感： 屹：折算到定子侧的d 轴阻尼绕组漏感； 。：折算到定子侧的g 轴阻尼绕组1 漏感； 屹2 ：折算到定子侧的g 轴阻尼绕组2 漏感： ：转子角速度。 若采用功率不变的坐标变换，并取定子额定相电压有效值和额定电流有效值作为定 子电压和电流的基值，它等于以单相额定功率为基准的电磁转矩标幺值的1 3 ，则以三 相额定功率为基准的电磁转矩标幺值方程为f 2 2 】： 瓦= 岛一弘_ q t q ( 2 2 2 ) 2 2 l 。2i b l z 转子运动方程是同步发电机的又一个基本方程，它是按牛顿运动定律对转子系统的 动态描述。 乃警= 乙一互一乃 ( 2 2 3 ) 式中：l 为机械转矩，乃为阻尼转矩，d 为阻尼系数，乃为同步电机转子惯性时间 常数。 此外，还有一个运动方程是功角6 和转子电角速度6 0 之间的关系应满足下式： _ - d 6 ：彩一1 ( 2 2 4 ) 一= 打，一l l ， 应急柴油发电机组仿真研究 2 22 m a t l a b 中的同步发电机仿真模型 在m a t l a b s i m u l i n k 器件库中打开s i m p o w e r s y s t e m s m a c h i n e s ，即可选择各种类 型的发电机模型，这些模型都是软件厂家以上述的出0 坐标下的暂态方程为基础建立的 仿真模型，作为常用的基本器件置于器件库中提供给用户直接调用。本课题就是直接采 用器件库中的三相同步发电机p uu n i t s 模块作为研究对象的，同步发电机模型如图2 5 所示： s y n c h r o n o u sm a c h i n e d us t a n d a r d 图25 同步发电机模型 f i g2