基于MATLAB的柴油发电机组起动过程仿真分析

张东福 崔建华

【摘要】建立了柴油机发电机组起动全过程的数学模型，并分别求解出柴油发电机组起动特性和柴油机及调速系统数学模型。详细论述了运用Matlab/Simulink建立400V柴油发电机组起动全过程的仿真模型。仿真结果分析表明：所建立的模型具有较高的准确可靠性，能够真实反映发电机实际起动过程特性，可以作为柴油机结构设计和方案优化的计算机模拟仿真分析工具，为柴油发电机组性能分析和综合评估提供了一种新的研究方法。

【关键词】柴油发电机组；起动过程；Matlab/Simulink；仿真

引言

柴油机起动过程的综合性能是评价柴油发电机组质量水平的重要技术指标，通过准确可靠的仿真模拟，获得准确详细的工况性能曲线和数据，对于指导发电机组进行优化设计，减少试验内容及工作量，降低研究开发成本，缩短研发时间周期，提高研发工作效率，确保柴油发电机组的类型、结构参数和性能参数均达到良好匹配特性[1]。采用计算机对柴油发电机组的起动过程进行全面建模与仿真，是目前研究柴油发电机起动调控性能，并对研发方案、方法思路和技术性能进行综合评价和优化改进的重要手段。结合现代控制理论建立与柴油发电机组起动过程实际运行工况相匹配的数学模型，并采用Matlab软件中的Simulink仿真工具箱，构造仿真模型对其起动全过程进行仿真，获得起动全过程的转速、转矩等仿真特性曲线和数据，并以此指导柴油发电机组进行优化改进设计，确保其具有良好的起动动态和稳定性能，且满足技术、经济和环境等多方面评价指标，推动柴油发电机研发优质、节能、经济的进行，课题具有非常重要的理论分析和工程实践意义。

1.柴油发电机起动性能的数学模型分析

1.1 柴油发电机起动过程特性分析

柴油发电机主要起动过程为：首先起动装置开始工作，然后由起动装置拖拽静止的柴油机开始转动，待柴油机依靠压缩缸内气体燃烧过程中产生的热量能够自行进行加速并达到发电机组最低稳定空转转速的全过程[2]。柴油发电机是整个柴油发电系统的心脏，通过柴油机和同步发电机进行同轴联合，实现机电调节的耦合匹配。归纳总结柴油发电机组整个起动过程，主要包括两个重要阶段，即：第一阶段：将空气压缩系统产生的2.5-3.0Mpa压缩空气，按照柴油机的发火顺序在膨胀工作冲程工况下引入到各汽缸，推动活塞机构起动柴油机到起动转速；第二阶段：在起动装置引导下柴油机达到起动转速后，喷入柴油燃料自行发火，通过燃烧能量积累转速不断上升直到达到同步发电机最低稳定同步转速。同时，柴油发电机在整个起动过程中，通过励磁系统的开闭环调节不断建立起稳定的机端电压，完成柴油发电机组的起动发电。

1.2 柴油发电机组起动特性数学函数

1.2.1 柴油机及调速系统的数学模型

在柴油发电机系统中，柴油机及调速器是整个发电系统的心脏，其通过燃烧燃油为发电机供给原动力，然后根据负荷波动转换的转速偏差信号调节喷油量输出不同转矩，确保整个燃油燃烧及发电系统处于不断调节平衡的恒速运行工况[3]。由此可知，柴油机及调速系统的仿真数学模型的输入为喷油量，输1.2.2 同步发电机的数学模型

在柴油发电机的数学模型建立过程中，由于发电机定子通常处于不对称运行工况，加上凸极同步发电机其转子自身结构就存在不对称问题。因此，采用常规的abc坐标系很难准确反映发电机的运行工况状态。为了精确模拟仿真柴油发电机组起动全过程特性，此处采用dq0坐标系统进行分析，即采用派克变换将a、b、c相坐标的发电机三相电磁特征量（电流、电压和磁通链）转换为与转子同步旋转的直轴d、交轴q和零轴0分量。帕克转换及逆变换的公式及步骤详见文献[3]2.2节。本文直接选择Matlab/Simulink/SimPowerSystem/Machines器件库中，基于dq0坐标系的发电机仿真模型来建立完整的仿真系统。

1.2.3 柴油机组起动系统模型

参考转速是调速器参数设置过程中预先设定的目标转速的标幺值；实际转速是由柴油机调速系统中的测速环节采集获得实时转速的标幺值。通过参考转速和实际转速间的偏差信号计算，经主控制器、放大单元（比例微分加柴油机和油门系统组成的二阶惯性环节）、执行器，控制柴油机喷油量的多少，并经积分单元和机组延迟特性的约束计算后，形成柴油机的最终机械功率信号[5]。发电机在机械功率的驱动作用下带动发电机转子，利用“电磁感应”输出电动势。按照图2所示的调节结构，以发电机转速作为被控对象来完成转速→喷油量→转速的闭环负反馈，实现PID的动态调节。

2.柴油发电机组起动过程Matlab仿真分析

结合图1和图2及前面分析，可以将柴油发电机起动发电过程看成是一个正向驱动和反向负反馈的闭环动态平衡调节过程。

2.1 柴油发电机起动发电Simulink仿真模块图

Matlab软件是美国Math Works公司出品的商业科学计算软件，其强大非线性数据逼近功能，可以为算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算等高级计算仿真提供计算语言及交互式环境，是功能相当强大的科学仿真和计算分析软件，主要包括Matlab计算软件和Simulink动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境两大部分。Matlab软件在计算分析时，提供了许多数据物理模型矩阵处理手段。Simulink為学术研究领域与工业实践应用领域提供了重要的结构模型和仿真运行技术支撑平台，通过模型构建、运行工况模拟仿真、动态分析等可视化图形界面操作，用户无需编写详细的程序代码，通过图形集成模块的相互搭建，即可建立非线性、连续时间、离散时间以及多者相结合的混合模拟仿真模型，能让用户以最小的时间代价完成对预设系统性能的在线动态模拟仿真。Simulink实例仿真模块，便于对柴油发电机组起动全过程功能特性的准确仿真模拟。此处将选用Simulink提供的集成模块构造仿真模型，按照通过参考转速和实际转速计算转速偏差信号，经内部功能单元转换分析形成转速输出信号作用在喷油调节器中，完成压缩空气、柴油机、发电机、励磁系统等控制单元的联合调节，确保真实反映柴油发电机的起动过程及性能。

2.2 仿真结果分析

转速（标幺值）的时值特性曲线可知，Simulink能够准确反映柴油发电机起动的两个明显阶段，即：在起动的第一阶段（0-0.8s），压缩空气系统产生的2.5-3.0Mpa压缩空气形成的转矩驱动柴油机起动，此时转速上升速率较慢，呈直线上升。当柴油机的转速不断升高达到最低起动转速时，柴油发电机中的气缸内压力和温度达到柴油的燃烧点，则起动进入第二阶段（0.8s-2.9s），柴油机按照发火顺序自动发火燃烧，转速上升率增加，呈抛物线上升，输出转矩也越来越大。在调速器的作用下，输出机械功率不断加大，转速不断增加，并在2.9s后，达到同步发电机最低稳定同步转速，稳定发电。从图4的机械功率（标幺值）的时值特性曲线可知，在柴油发电机组起动的两个阶段中，第一个阶段（0-0.8s）產生的转矩较小，机械功率也较小；进入到起动第二阶段后，柴油发电机在调速器的PID调控作用下，根据预定转速和实际转速的偏差信号，不断调节喷油量。在0.8s-2.4s机械功率不断上升，转矩不断增大，相应转速不断上升；在2.4s2.9s机械功率不断下降，转矩不断降低，相应转速上升率不断降低，直到稳定在发电机的同步转速达到平衡。

起动全程机端电压励磁升压的时值特性，可以清楚看出柴油发电机组机端在整个发电过程中电压建立到从小到大的过程。其中，第一阶段，电压幅值较小，主要实现机端电压的建立；在第二阶段，随着电动机转速的不断升高，机端电压和频率也从小到大不断上升，最后稳定在50Hz，此时发电机的端部电压稳定在400V，与400V柴油发电机组的额定运行电压相匹配。

3.结束语

本文对柴油发电机组起动全过程的起动及工况特性进行了研究，并提出了基于两个阶段的二阶惯性环节模型，并通过Matlab/Simulink对400V柴油发电机组起动全过程的转速、机械功率和机端电压进行了建模仿真分析，得到以下几方面结论：

（1）在0-0.8s起动第一阶段，转速呈直线上升，转速上升较慢；在0.8-2.9s第二阶段，转速呈抛物线上升，转速上升较快；

（2）在0-0.8s起动第一阶段，柴油发电机的机械功率上升较慢；在0.8s-2.4s机械功率不断上升，转矩不断增大，相应转速不断上升；在2.4s2.9s机械功率不断下降，转矩不断降低，相应转速上升率不断降低，直到稳定在发电机的同步转速达到平衡；

（3）机端电压及频率不断上升，最终稳定在50Hz和400V。

基于Matlab/Simulink的400V柴油发电机组起动仿真模型，能够真实反映柴油发电机组起动全过程的工况特性，为柴油发电机组整体方案研发、优化改进和综合评估，提高了高效可靠的分析技术手段。

参考文献

[1]杨建新，王月明，薛小军.基于 SIMULINK 的机车柴油机组启动过程仿真研究[J].内燃机，2005（6）：33-35.

[2]王哲，叶晓倩，邓俊.基于Matlab/Simulink的直线发动机性能仿真研究[J].内燃机工程，2009，30（01）：69.

[3]江国和，刘西全，杨松林，等.船舶柴油机智能转速控制系统仿真研究[J].柴油机，2006，27（4）：9-11.

[4]房俊全，朱从乔.柴油机调速系统的模糊自适应PID控制[J].微计算机信息，2005（15）：54-56.

[5]龚金科，刘孟祥，刘湘玲，等.用Simulink实现柴油机的建模与仿真，2002，29（04）：38-41.