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基于Matlab的柴油发电机组功率交互振荡现象的仿真



Vol.30

No.1

2010.1

船电技术|电机

基于 Matlab 的柴油发电机组功率 交互振荡现象的仿真
闫利伟


杜海生

宋东升

刘冀

(海军工程大学天津校区,天津塘沽 300450) 要:交流供电使用的柴油发电机组,并联运行过程中经常出现功率交互振荡。本文先通过分析产生功

率振荡的原因,得出影响功率振荡的参数,然后利用 Matlab 对柴油发电机组单机、并联运行进行仿真,验 证分析结果。 关键词:柴油发电机组 中图分类号:TM314 并联运行 功率交互振荡 文章编号:1003-4862 (2010) 01-0021-06 文献标识码:A

The Simulation Of Interactive Power Oscillation For Diesel Generator Sets Based On Matlab
Yan Liwei, Du Haiheng, Song Dongsheng, Liu Ji
(Naval University of Engineering Tianjin Campus, Tanggu 300450, Tianjin, China)

Abstract: Interactive power oscillation often appears in diesel generator sets for AC power supply operating in parallel. This paper analyzes the reason for power oscillation, and its the parameter. Besides that, it makes simulation for the stand-alone or paralleling connection of diesel generator by using Matlab, and verifies the result. Key words: diesel generator sets, operation in parallel, interactive power oscillation

1

引言

交流供电使用的柴油发电机组广泛地应用于 船舶、通信等国民经济的众多领域。交流柴油发 电机组在互相并联运行及并入电网运行时,往往 出现功率的周期性振荡。功率振荡时,并联运行 的各机组的总负载不变。因此,一台机组的功率 增加和另一台机组的功率减少同时进行。通常把 这种现象称为功率交互振荡,俗称“游车”。无论 在机组台架试验中,还是在实际运行的舰船或陆 上电站中都曾发现功率交互振荡的现象。

2

柴油发电机组功率交互振荡的分析[1]

产生功率交互振荡的原因是由于并联运行的 机组中有干扰力矩的存在。
收稿日期: 2009-10-15 作者简介:闫利伟(1978-) ,男,天津校区教员,研 究方向为电力系统运行、控制与分析。

干扰力矩产生的原因如下: ⑴ 各缸转矩不均匀所引起的干扰力矩 各缸转矩不均匀原因有: a. 高压燃油泵和喷油嘴调节不均匀,各缸的 喷油大小量不等; b. 喷油泵凸轮传动扭转变形; c. 配气相位、喷油提前角、压缩比等参数调 整不一致; d. 各缸制造误差不一致。 ⑵ 高压燃油管剩余压力波动引起的干扰力 矩 X.甘切夫提出把喷油泵齿条位置不变下喷油 后输油管内的残余压力 pocm2 与喷油前输油管内 残余压力 pocm1 的关系作为评价供油装置工作稳 定性的标准 [2]。 可以近似认为,齿条位置一定时,每循环实 际供油量的变化(相对单位)为:

?g u = ? m0 (?p ocm 2 ? ?p ocm1 )

(1) 21

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式中: ? g u —每循环实际供油量的变化(相对单 位) 0—表征高压输油管容积大小的比例系数。 ;m 在供油装置工作正常情况下,pocm2 =pocm1 , 即 ? g u = 0。 实际上影响 pocm2 有很多因素, 在供 油装置工作不正常情况下,就更容易造成 ? g u ≠ 0。 尽管喷油泵齿条处于同一位置上, 进入气缸的 供油量却在周期性的变化,就会产生干扰力矩。 影响 pocm2 波动的主要因素有: a. 燃油的可压缩性; b. 高压油管的容积变化。 柴油发电机组在出厂前都要做供油装置调 整,使各项要求都达到国家标准。但是,往往在 使用一定时期后,由于种种原因,产生供油不稳 定。上面几种原因只要发生一种,气缸供给的燃 油量就不相同,就会造成各个气缸燃烧状况不一 致,产生干扰转矩 [2-5]。产生干扰力矩的原因都是 因为柴油机供油出现周期变化。本文将以上各种 因素对供油量产生的干扰近似的用一正弦函数代 替即: △gr=k sin(ωt+α) (2) 式中:△gr—为干扰油量; k—为干扰油量的幅值(相对单位) ; ω—为干扰油量的角频率; α—为干扰油量的初相角。 单机运行时,供油干扰虽然使柴油机输出的 机械功率变化,电磁功率相应也变化,但由于负

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载不变,稳定运行点是不变的,电磁功率围绕这 个点上下波动,但偏差不是很大,所以供油干扰 对单机运行影响不大。在多机并联运行时,并联 机组总的负载是不变的,但加在每台机组上的负 荷是变化的,这样就造成电磁功率稳定运行点不 断变化,又因为所加干扰为周期性干扰,每台机 组调速器在某一段时间起到抑制干扰的作用,而 在另一段时间起到加强干扰的作用,所以使得机 组电磁功率也在周期性变化。机组电磁功率变化 的程度取决于干扰油量中三个参数 k、ω、α。

3

柴油发电机组并联运行功率交互振荡 仿真

柴油发电机组单机运行模型如图 1 所示,双 机并联运行模型如图 2 所示,两台机组为同型号 机组,参数都一样。励磁模块 [6]如图 3 所示,调 速和柴油机模块 [7,8]如图 4 所示, 加入干扰的调速 原动机模块如图 5 所示。 柴油发电机组型号为 500GF, 发电机型号为 TFW-500-6,柴油机型号为 P28V190。发电机 参数如下:Pn=500 kW,Un=383 V,fn=50 Hz,

X

" ' =2.12, X q =1.35, X d =0.163, X d =0.13,

" X q =0.11,Xl=0.0572, Td =0.121, Td =0.01,

'

"

Tq" =0.01,Rs=0.003,H(s)=2.1。
输电线路比较短,所以忽略不计。 仿真结果如下。

<Stator v oltage v q <Stator v oltage v d

母线

图1

Matlab 中柴油发电机组单机运行模型

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<Stator v oltag <Stator v oltag <Rotor speed <Electrical powe

母线

图2
1

Matlab 中柴油发电机组双机运行模型

图 3 励磁系统模块内部模型图

图 4 调速器模块内部模型图

图 5 加入供油干扰后的调速器模块内部模型图

3.1 单机运行仿真 负荷参数:把所有负荷等效成一个电阻和电 感并联的负载,Vn=380 V,fn=50 Hz,PL=3e5 W,QL=1000 var。 说明:仿真除被考察的功率值采用有名值外, 其他量都采用标幺值。所考察的功率值指 6 s 后 功率值,机组启动过程功率值不在考察范围内。 (1) 机组供油正常时。 (2) 如图 5, 加入干扰油量△gr=ksin(ωt+α),

其中 k=0.02(相对单位) ,ω=9π,α=0。 由图 6、图 7 可知,柴油发电机组单机运行 时,负载上消耗的功率近似于机组发出的功率, 供油正常时机组发出的功率稳定,正常运行,当 加入干扰油量时,机组发出的功率出现微小等幅 周期振荡,振荡幅值为 0.024×105 W。 3.2 双机并联运行仿真 负荷参数:把所有负荷等效成一个电阻和电 感并联的负载,Vn=380 V,fn=50 Hz,PL=6
23

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×10 W,QL=2000 var。
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图 9 功率变化曲线 图 6 供油正常时负载上消耗的功率

由图 9 可以看出,一、二号机组发出的功率 发生等幅周期振荡。一号机组振荡幅值为 0.121×105 W, 二号机组振荡幅值为 0.096×105 W。 并且一台机组发出功率增加的同时,另一台机组 发出功率在减小。负载上消耗的功率出现微小的 等幅周期振荡,振荡幅值为 0.04×105 W,并联机 组发生功率交互振荡。 ( 3 ) 一 号 机 组 加 入 干 扰 油 量 △gr = ksin(ωt+α),其中 k1=0.03(相对单位) 1=9π, ,ω α1=0;二号机组供油正常。

图 7 供油有干扰时负载上消耗的功率

图 10 功率变化曲线

图 8 功率变化曲线

(1)一、二号机组供油正常时。 由图 8 可以看出一、二号机组发出的功率一 致、稳定,负荷消耗功率稳定,表明并联机组运 行正常。 ( 2 ) 一 号 机 组 加 入 干 扰 油 量 △gr = ksin(ωt+α),其中 k1=0.02(相对单位) 1=9π, ,ω α1=0;二号机组供油正常。 24

由图 10 可以看出, 一、 二号机组发出的功率 发生等幅周期振荡。一号机组振荡幅值为 0.181×105 W, 二号机组振荡幅值为 0.144×105 W。 并且一台机组发出功率增加的同时,另一台机组 发出功率在减小。负载上消耗的功率出现微小的 等幅周期振荡,振荡幅值为 0.038×105 W,并联 机组发生功率交互振荡。与图 9 相比,一、二号 机组功率振荡幅值增大。 (4)一、二号机组同时加入干扰油量△gr = ksin(ωt+α),其中 k1 =k2 =0.02(相对单位) 1 ,ω =ω2=9π,α1=α2=0。

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并且一台机组发出功率增加的同时,另一台机组 发出功率在减小。负载上消耗的功率出现微小的 等幅周期振荡,振荡幅值为 0.001×105 W,并联 机组发生功率交互振荡。与图 12 相比,一、二号 机组功率振荡幅值增大。

图 11 功率变化曲线

由图 11 可以看出,一、二号机组功率变化曲 线一致,虽然有微小等幅周期振荡,但没有发生 功率交互振荡。 (5)一、二号机组同时加入干扰油量△gr = ksin(ωt+α),其中 k1=0.02(相对单位) 1=9π, ,ω α1=0,k2=0.02(相对单位) 2=9π,α2=π/2。 ,ω

图 13 功率变化曲线

(7)一、二号机组同时加入干扰油量△gr = ksin(ωt+α),其中 k1=0.02(相对单位) 1=9π, ,ω α1=0,k2=0.02(相对单位) 2=7π,α2=0。 ,ω

图 12 功率变化曲线

由图 12 可以看出, 一、 二号机组发出的功率 发生等幅周期振荡。一号机组振荡幅值为 0.155×105 W, 二号机组振荡幅值为 0.155×105 W。 并且一台机组发出功率增加的同时,另一台机组 发出功率在减小。负载上消耗的功率出现微小的 等幅周期振荡,振荡幅值为 0.035×105 W,并联 机组发生功率交互振荡。 (6)一、二号机组同时加入干扰油量△gr = ksin(ωt+α),其中 k1=0.02(相对单位) 1=9π, ,ω α1=0,k2=0.02(相对单位) 2=9π,α2=π。 ,ω 由图 13 可以看出,一、二号机组发出的功率 发生等幅周期振荡。一号机组振荡幅值为 0.216×105W,二号机组振荡幅值为 0.216×105W。

图 14 功率变化曲线

由图 14 可以看出, 一、 二号机组发出的功率 发生振荡。 一号机组幅值变化范围为 2.793×105~ 3.174×105 W , 二 号 机 组 幅 值 变 化 范 围 为 2.862×105~3.229×105 W。 并且一台机组发出功率 增加的同时,另一台机组发出功率在减小。负载 上消耗的功率出现微小的振荡,幅值变化范围为 5.961×105~6.046×105 W, 并联机组发生功率交互 振荡。与前几种振荡情况相比,ω 不同产生的振 荡是非周期变化的,幅值也不是定值。 (8)一、二号机组同时加入干扰油量△gr = ksin(ωt+α),其中 k1=0.02(相对单位) 1=9π, ,ω 25

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α1=0,k2=0.02(相对单位) 2=6π,α2=0。 ,ω

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响功率交互振荡的三个关键参数,因此通过对幅 值 k、角频率 ω、 初相角 α 三个量进行调节,可 以有效消除柴油发电机组在并联运行时产生的功 率交互振荡,提高并联运行的可靠性。

参考文献:
[1] 闫利伟 宋东升, 常鲜戎. 柴油发电机组功率交 互振荡现象的分析与仿真研究. 电气应用, 2009,(8). [2] [苏 ]В.И.托 尔 申 著 . 柴 油 发 电 机 组 并 联 运 行 的 稳 定性(田治喜, 吴霞芳译). 北京: 国防工业出 版 社 , 1977. 图 15 功率变化曲线 [3] 苏 石 川 , 元 广 杰 , 杨 宗 明 编 著 .现 代 柴 油 发 电 机 组的应用与管理. 北京: 化学工业出版社, 2005.8. [4] [5] [6] 高 国 权 编 著 .电 站 用 柴 油 机 调 速 系 统 .人 民 交 通 出 版 社 , 1983.12. 项 国 波 编 著 .柴 油 机 交 流 发 电 机 组 并 联 运 行 及 其 稳 定 性 . 北 京 : 国 防 工 业 出 版 社 , 1979.5 任 伟 .船 舶 电 站 柴 油 发 电 机 组 自 整 定 PID 控 制 与 虚 拟 仿 真 : 士 学 士 论 文 ].上 海 : 海 海 事 大 学 , [硕 上 2004. [7] [8] 韦韩英. 船舶柴油发电机系统仿真: 士学士论 [硕 文 ].上 海 : 上 海 海 运 学 院 , 2003 刘雨. 船舶柴油发电机组的建模与智能控制的 仿 真 研 究 : 士 学 士 论 文 ].大 连 : 连 海 事 大 学 , [硕 大 2002.

由图 15 可以看出, 一、 二号机组发出的功率 发生振荡。 一号机组幅值变化范围为 2.804×105~ 3.225×105 W , 二 号 机 组 幅 值 变 化 范 围 为 2.810×105~3.220×105 W。 并且一台机组发出功率 增加的同时,另一台机组发出功率在减小,负载 上消耗的功率出现微小的振荡,幅值变化范围为 5.956×105~6.053×105 W, 并联机组发生功率交互 振荡,相比于图 14 振荡程度严重。

4

结论

本文通过对柴油发电机组功率交互振荡现象 的分析、仿真,我们得出干扰油量△gr 是功率交 互振荡产生的关键量,并联运行的机组相互间干 扰油量差别越大,功率振荡的程度就越严重,因 此干扰油量的幅值 k、角频率 ω、 初相角 α 是影

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[海装动态]
俄称若印度同意加价 12 亿美元将尽快 交付航母
据美国《空中打击》网站 2009 年 9 月 3 日报 道 俄罗斯国防技术公司(Rostekhnologii)总裁在 莫斯科的一场记者招待会上向外界透露,俄罗斯 和印度双方于 2009 年 10 月中旬签署一份关于“戈 尔什科夫海军元帅”号航空母舰改装所需资金的 新协议。 根 据 俄 罗 斯 国 防 产 品 出 口 公 司 (Rosoboronexport)和印度海军于 2004 年签署的一 份价值 15 亿美元的合同, 包括米格-29K 舰载机 26

在内,“戈尔什科夫海军元帅”号航母的改装工作 应于 2008 年完成。 但是俄罗斯后来表示, 由于低 估了该航母改装的规模和所需费用因而要求再加 价 12 亿美元, 印度方面则认为俄方此要求难以接 受。经过一再延期和长时间谈判,印度曾于 2008 年 2 月表示可以接受 6 亿美元的加价。但俄罗斯 方面对此价格不满意致使该问题一直拖延至今, 目前相关谈判仍在进行。 俄罗斯方面已经保证,如果自己提出的加价 12 亿美元的要求得到落实,将会尽快完成“戈尔 什科夫海军元帅”号航母的改装并于 2012 年交付 给印度。



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