胡亞超，徐 曄，李建科，孫 勇，王春明

(1.解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院， 南京210007;2.解放軍91362部隊(duì)， 浙江舟山316200)

(3.南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

柴油發(fā)電機(jī)組由柴油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)組成，其中柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，通過(guò)轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子以相同步速旋轉(zhuǎn)，從而使固定在轉(zhuǎn)子上的磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子相同轉(zhuǎn)速的磁場(chǎng)，同步發(fā)電機(jī)的定子線圈切割旋轉(zhuǎn)的磁力線，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，對(duì)外輸出頻率和幅值穩(wěn)定的三相交流電，具有體積小，啟動(dòng)迅速，供電可靠，維護(hù)方便的特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛［1］。

在對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)仿真模型的研究中，文獻(xiàn)［2］針對(duì)船舶電力系統(tǒng)，考慮到同步發(fā)電機(jī)的暫態(tài)過(guò)程，對(duì)船舶柴油發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)、停車和負(fù)載突變進(jìn)行了仿真研究;文獻(xiàn)［3］根據(jù)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中單臺(tái)發(fā)電機(jī)容量小于單臺(tái)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的背景，通過(guò)建立仿真模型對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的電壓、電流特征進(jìn)行分析;文獻(xiàn)［4］針對(duì)負(fù)載發(fā)生大信號(hào)變化的情況，考慮了機(jī)組可承受的負(fù)載范圍。在這些系統(tǒng)中負(fù)載的功率穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載功率反復(fù)突變時(shí)，應(yīng)用上述模型仿真誤差較大，因此，并不適合用來(lái)分析含脈沖負(fù)載的柴油發(fā)電機(jī)組-整流器供電系統(tǒng)。

本文以單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組-可控整流器-脈沖負(fù)載系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)建立了引入負(fù)載功率調(diào)節(jié)的柴油發(fā)電機(jī)組模型，著重針對(duì)脈沖負(fù)載處于不同工作模式時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓與頻率的暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行分析。

1 柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

柴油發(fā)電機(jī)組按功能可分為柴油機(jī)與調(diào)速環(huán)節(jié)、勵(lì)磁調(diào)壓環(huán)節(jié)以及同步發(fā)電機(jī)三部分，系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)組成框圖

在圖1中，柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，通過(guò)柴油的燃燒做功過(guò)程將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械動(dòng)能，同步發(fā)電機(jī)根據(jù)電磁感應(yīng)原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，向負(fù)載供電。其中，調(diào)速環(huán)節(jié)采集柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和柴油發(fā)電機(jī)組輸出功率偏差向柴油機(jī)輸出油門(mén)指令，控制系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性;勵(lì)磁調(diào)壓環(huán)節(jié)引入同步發(fā)電機(jī)的定子電壓和電流的實(shí)時(shí)相量值，為同步發(fā)電機(jī)提供輸出勵(lì)磁電壓，控制系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

1.1 柴油機(jī)與調(diào)速器

對(duì)于數(shù)字式雷達(dá)等脈沖負(fù)載，由于裝備內(nèi)含有大量電力電子開(kāi)關(guān)器件，當(dāng)這類負(fù)載運(yùn)行時(shí)，即呈現(xiàn)開(kāi)關(guān)切換狀的脈沖功率特性，系統(tǒng)中電源處于反復(fù)的加載和拋載切換狀態(tài)，而這種交替出現(xiàn)的過(guò)載和空載對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的頻率穩(wěn)定性帶來(lái)很大的干擾，影響其正常工作［5］。

針對(duì)脈沖負(fù)載這一特有的功率性質(zhì)，柴油機(jī)與調(diào)速環(huán)節(jié)采用帶有功率平抑功能的雙輸入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，由轉(zhuǎn)速控制器、功率控制器、油位控制器、油門(mén)執(zhí)行器和柴油機(jī)等部分組成。在調(diào)速環(huán)節(jié)中，由轉(zhuǎn)速傳感器和功率測(cè)量環(huán)節(jié)分別采集柴油機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速輸出和功率變化量，反饋到轉(zhuǎn)速控制器和功率控制器，控制器將轉(zhuǎn)速偏差Δω和功率變化Δp經(jīng)PID控制生成控制量u1和u2輸入油位控制器，油門(mén)執(zhí)行器根據(jù)油位控制器輸出的Δu產(chǎn)生可在一定范圍內(nèi)可調(diào)的油門(mén)值，柴油機(jī)根據(jù)油門(mén)指令提供相應(yīng)的機(jī)械功率pm。該方法既可以維持柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速，又能夠根據(jù)脈沖負(fù)載的功率變化做出快速響應(yīng)，減小了柴油發(fā)電機(jī)組的時(shí)間常數(shù)，調(diào)速器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)原理圖

1.2 勵(lì)磁調(diào)壓裝置

勵(lì)磁調(diào)壓環(huán)節(jié)的功能是為同步發(fā)電機(jī)提供穩(wěn)定的勵(lì)磁電流，即使輸出電壓有效值穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖3所示。

圖3 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)壓裝置的原理圖

在圖3中，定子電壓Vt和電流It經(jīng)電壓補(bǔ)償與濾波環(huán)節(jié)后生成信號(hào)Vm，功率變化量Δp經(jīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器生成信號(hào)Vs，勵(lì)磁電壓經(jīng)反饋校正生成信號(hào)VF，Vref為參考電壓信號(hào)，經(jīng)放大后的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)VA與相復(fù)勵(lì)裝置的輸出信號(hào)Vc疊加，生成勵(lì)磁信號(hào)VR，直流勵(lì)磁機(jī)在VR與飽和控制信號(hào)VE的共同作用下輸出勵(lì)磁電壓Vf。

2 系統(tǒng)仿真分析

針對(duì)雷達(dá)等脈沖負(fù)載的功率特性，以直流開(kāi)關(guān)控制電阻的周期性投切來(lái)模擬數(shù)字式雷達(dá)等脈沖負(fù)載的功率特性［6-7］，建立如圖4所示的柴油發(fā)電機(jī)組-整流器-脈沖負(fù)載系統(tǒng)的等效電路模型。圖4中的電子調(diào)速器根據(jù)系統(tǒng)情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)柴油機(jī)功率，維持機(jī)組輸出頻率穩(wěn)定，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)控制柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓穩(wěn)定，可控整流器調(diào)節(jié)系統(tǒng)直流側(cè)輸出電壓維持在設(shè)定值500 V，系統(tǒng)采用LC無(wú)源濾波，直流開(kāi)關(guān)的通斷由外置觸發(fā)信號(hào)控制，可通過(guò)設(shè)置脈沖信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)脈沖負(fù)載的工作模式。

圖4 柴油發(fā)電機(jī)組-整流器-脈沖負(fù)載等效電路圖

在該供電系統(tǒng)中，柴油發(fā)電機(jī)組-整流器系統(tǒng)作為等效直流電源，經(jīng)電抗L和電容C濾波后向脈沖負(fù)載Rs供電?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置直流開(kāi)關(guān)S的觸發(fā)脈沖信號(hào)控制脈沖負(fù)載的不同工作模式，令開(kāi)關(guān)周期Ts表示模擬負(fù)載Rs周期性的通斷時(shí)間，導(dǎo)通占空比D為開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間占整個(gè)開(kāi)關(guān)周期的比率。柴油發(fā)電機(jī)組中的柴油機(jī)功率設(shè)定為36 kW，同步發(fā)電機(jī)的額定功率為30 kW，功率因數(shù)0.8，機(jī)組的輸出頻率f為50 Hz，線電壓Vt為400 V，可控整流器的輸出電壓設(shè)為500 V。同時(shí)，設(shè)定脈沖負(fù)載的峰值功率PL為20 kW，即Rs為12.5 Ω，開(kāi)關(guān)周期 Ts為 56 ms。

根據(jù)系統(tǒng)電路模型和系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)，搭建基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)的系統(tǒng)模型，在仿真中通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖負(fù)載的占空比實(shí)現(xiàn)不同的工作模式，并根據(jù)仿真結(jié)果分析脈沖負(fù)載工作模式的變化對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓與頻率的影響。仿真采用ode23tb算法，時(shí)間為6 s，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 脈沖負(fù)載工作在特定模式時(shí)的各電氣量波形

在圖5a)中可以看出:隨著脈沖負(fù)載電流周期性的突變，整流器的輸出電壓也隨之變化，當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，脈沖負(fù)載消耗功率，此時(shí)直流電壓迅速下降;當(dāng)脈沖負(fù)載無(wú)電流時(shí)，在調(diào)壓器作用下，直流電壓可立刻恢復(fù)至設(shè)定值500 V。

圖5b)反映了整個(gè)仿真過(guò)程中柴油發(fā)電機(jī)組輸出頻率的變化趨勢(shì):在1 s時(shí)刻開(kāi)關(guān)S在觸發(fā)脈沖作用下控制電阻周期性的投切，此時(shí)由于負(fù)載迅速增大，柴油機(jī)的機(jī)械功率小于負(fù)載的電磁功率，而油門(mén)調(diào)節(jié)器尚未動(dòng)作，因此，轉(zhuǎn)速下降以維持機(jī)械轉(zhuǎn)矩不變;隨后汽缸進(jìn)油量增加，柴油機(jī)輸出功率逐漸提高，機(jī)械轉(zhuǎn)矩增大從而轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)至額定值。但由于脈沖負(fù)載周期性的功率波動(dòng)，因此，柴油發(fā)電機(jī)組的輸出頻率會(huì)以Ts為振蕩周期在某一固定值附近小幅波動(dòng)。

圖5c)為柴油發(fā)電機(jī)組輸出電流隨脈沖負(fù)載功率波動(dòng)的變化曲線。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組-整流器供電系統(tǒng)無(wú)功率輸出時(shí)，電樞電流極小，且為標(biāo)準(zhǔn)正弦波;當(dāng)脈沖負(fù)載消耗功率時(shí)，定子電流迅速增大，且畸變嚴(yán)重;當(dāng)脈沖負(fù)載不吸收功率時(shí)，定子電流同時(shí)減小，定子三相電流的變化周期也是Ts。

圖5d)～圖5f)為柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓在脈沖負(fù)載運(yùn)行的變化曲線，其中:圖5d)反映了單相電壓實(shí)時(shí)波形，通過(guò)對(duì)比橫坐標(biāo)時(shí)間可以看出，當(dāng)定子電流很大時(shí)電壓波形同樣產(chǎn)生一定程度的畸變;當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組-整流器系統(tǒng)空載時(shí)，定子電壓波形光滑。圖5e)為各時(shí)刻柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓的有效值隨脈沖負(fù)載的變化。圖5f)為單個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電壓值波動(dòng)的局部放大圖，通過(guò)對(duì)比時(shí)間軸可以看出，當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合，即脈沖負(fù)載有功率輸出時(shí)，發(fā)電機(jī)組輸出電壓下降;當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，負(fù)載無(wú)電流時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出電壓在調(diào)壓裝置調(diào)節(jié)下振蕩上升，后維持在400 V附近小幅波動(dòng)。

為進(jìn)一步分析機(jī)組在不同脈沖負(fù)載工作模式時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓與頻率的穩(wěn)態(tài)情況，對(duì)仿真模型中脈沖負(fù)載的輸出占空比進(jìn)行調(diào)整，并計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組的輸出頻率f，頻率波動(dòng)Δf，電壓有效值Vt，電壓總諧波畸變率THDv和負(fù)載實(shí)際功率pe，各穩(wěn)態(tài)值具體見(jiàn)表1。

表1 脈沖負(fù)載工作時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)(負(fù)載模式:PL=20 kW，Ts=56 ms，C=4 mF，L=0.125 mH)

通過(guò)表1可以看出，隨著占空比的增加，負(fù)載的實(shí)際功率pe也逐漸變大，當(dāng)占空比較小時(shí)，由整流器等線路損耗造成的功率損失較大，表現(xiàn)在實(shí)際功率小于理論平均功率Pav(即DPL);從表1還可以看出柴油發(fā)電機(jī)組的輸出頻率幾乎無(wú)變化，而頻率波動(dòng)隨占空比的增大略有增大，說(shuō)明所采用的調(diào)速器性能良好;柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓有效值Vt并沒(méi)有發(fā)生顯著變化，事實(shí)上，當(dāng)脈沖負(fù)載的占空比達(dá)到0.7時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓畸變非常嚴(yán)重，同時(shí)電壓有效值波動(dòng)超過(guò)150 V，系統(tǒng)中電能質(zhì)量顯著降低，已不屬于系統(tǒng)正常工作范疇，故不再增大占空比。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組-整流器-脈沖負(fù)載系統(tǒng)的特點(diǎn)，基于Matlab/Simulink軟件建立了能適應(yīng)脈沖負(fù)載功率特性的系統(tǒng)仿真模型，分析了脈沖負(fù)載作用下柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓與頻率特性，并通過(guò)改變負(fù)載工作模式對(duì)比研究了脈沖負(fù)載對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組-整流器供電系統(tǒng)的影響，證明了脈沖平均對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的影響不僅與負(fù)載平均功率有關(guān)，而且同脈沖負(fù)載有效功率的輸出占空比有很大關(guān)系。

［1］ 中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)內(nèi)燃發(fā)電設(shè)備分會(huì).中國(guó)柴油發(fā)電機(jī)組行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r及未來(lái)趨勢(shì)［J］.電器工業(yè)，2011(6):30-34.ICGE branch of CEEIA.Development status and future trend of the industry of diesel generating sets in china［J］.China Electrical Equipment Industry，2011(6):30-34.

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