基于转矩变化率与模糊控制的柴油发电机调速

杨 勇，李 岚

(太原理工大学,太原 030024)



基于转矩变化率与模糊控制的柴油发电机调速

杨 勇，李 岚

(太原理工大学,太原 030024)

分析了柴油发电机转矩变化率、发电机端电压及功率因数与柴油发电机转速的关系。在柴油发电机模糊控制调速系统的基础上，增加柴油发转矩变化率、发电机端电压和功率因数作为输入量，构成一种多输入单输出的调速系统。结合DSP和柴油发电机系统，验证了其调速性能。结果表明，多输入柴油发电机调速系统可以提高柴油发电机对负载变化的抗干扰性，减少功率振荡，提高独立电力系统供电的稳定性。

多输入调速系统；柴油发电机；模糊控制

0 引 言

柴油发电机作为备用电源广泛应用于农村、工厂以及船舶领域。柴油发电机的供电质量直接影响负载性能，其中柴油发电机的频率影响最大。柴油发电机频率的波动会导致柴油发电机端电压、有功功率、无功功率的变化。柴油发电机单机带载运行时，通常根据柴油发电机的运行状态调整柴油机的供油量，实现柴油机的恒频恒速运行。

柴油机负载变化时柴油机转速由于机械惯性作用并不能实时反映整个柴油发电机的状态，整个调速过程滞后于负载干扰。本文主要基于以下两点改善柴油发电机调速性能：(1)柴油发电机端电压和功率因数在负载波动过程中会产生波动，比转速的机械波动敏感迅速。(2)柴油发电机转矩变化率可以反映柴油发电机突然加载和卸载情况，使柴油发电机输出功率适应负载变化，增强系统鲁棒性。本文将结合柴油发电机模糊控制调速系统，以柴油机转矩变化率、电压和功率因数作为输入量，对柴油发电机转速进行多输入调节。

1 柴油发电机模糊PID调速系统

柴油机在负载变化或者运行状态改变时，传递函数也会发生微小的改变。普通的柴油发电机PID调速器不能根据负载及运行状态的变化做出最优的调整。柴油发电机模糊调速系统是在柴油机PID调速系统的基础上通过模糊自适应算法，以柴油机的转速差e和转速差变化率de/dt作为输入量，PID参数的变化量作为输出量，实现PID参数模糊自整定，如图1所示。PID参数模糊自整定的原理是找出PID三个参数与e和de/dt之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和de/dt，根据系统的运行状态设计的模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同e和de/dt时对控制参数的不同要求，而使被控对象有较好的动、静态性能[1-2]。

图1 柴油发电机多输入控制系统结构图

2 转矩变化率对转速的影响

为了减少转矩测量仪的投入，本文通过推导，使转速差变化率通过PID调节后可以反映转矩变化率，如图1所示。转速差变化率调节器以转速差变化率de/dt为输入量，经PID后形成转速调节信号u2，并与柴油发电机自适应调速系统输出的调节信号u1相加，形成调节信号u12。

柴油发电机模糊自适应调速系统的输出信号u1与偏差e在时域下的关系：

(1)

式中：KP1,KI1,KD1为经模糊系统调节过的比例系数、积分系数、微分系数。

转速差变化率调节器的输出信号u2与偏差变化率de/dt在时域下的关系：

(2)

式中：KP1,KI1,KD1为转速差变化率PID调节器的比例系数、积分系数、微分系数。

由式(1)、式(2)相加可得：

(3)

由力学原理可知柴油机的运动方程：

(4)

方程两边同时对t求导可得：

(5)

式中：J为柴油机转动惯量；ω为转速；t为时间；Md为柴油机输出转矩；Ml为柴油机负载力矩。

当柴油发电机负载改变时，柴油机的负载力矩改变，而输出力矩由于柴油机调速系统惯性的滞后作用没有改变，式(5)在负载突变时可变成：

(6)

(7)

式中：ω0为给定转速。由式(6)、式(7)可知，负载转矩变化率等于转速差变化率。

由式(3)、式(6)、式(7)可得：

(8)

由式(8)可知，突加负载时，负载转矩变化率增大，转速减小，u12增大，使柴油发电机转速尽可能保持恒定，反之亦然。加入负载转矩变化率可以提前预判负载转矩的变化，减少系统转速恢复时间和负载转矩变化对转速的干扰[3]。

3 电压和功率因数对柴油发电机转速的影响

为了说明柴油发电机端电压和功率因数与柴油发电机转速的关系，首先分析柴油发电机转速与负载有功无功的关系。

3.1 有功功率对柴油发电机转速的影响

柴油机结构复杂，影响参数众多，且存在大量的非线性环节，经过简化及标幺值化处理之后，由式(4)得到了下面的柴油发电机模型[4]：

(9)

式中：n为柴油机转速；Md为柴油机动力矩；Ml为柴油机负载力矩；Tα为柴油机时间惯性常数；Tg为柴油发电机组的自稳系数。

在柴油发电机系统中，若忽略空载损耗，柴油机的负载力矩Ml、同步发电机的电磁转矩Tem、转速ω、同步发电机的电磁功率Pem和同步发电机的有功功率P满足以下关系：

(10)

当同步发电机所带负载突变时，有功功率改变，柴油机动力矩不变，负载力矩变化，导致柴油机的转速变化。

3.2 无功功率对柴油发电机转速的影响

柴油发电机单独运行时，同步发电机端电压不能在负载变化时保持恒定，这就使得无功负载通过发电机的弱耦合作用引起有功功率的变化，改变柴油发电机的转速。

现代柴油发电机所带的同步发电机多为额定转速为1 500r/min的凸极机,同步发电机有功功率P与无功功率Q的表达式[5]：

(11)

(12)

式中：m为同步发电机相数；E0为激磁电动势；U为端电压；Xq为交轴电抗；Xd为直轴电抗；δ为功角。

由式(10)、式(11)可得:

(13)

现代柴油发电机一般采用自动调节励磁装置，其无功功率Q与端电压U有如下关系：

(14)

(15)

式中：U0为空载时的端电压；k为调差系数，一般整定标么值调差系数为 0.08左右(以发电机额定电压和额定容量为基准时)；ΔU为电压偏差，表示端电压与基准电压的差。

由式(13)、式(14)可知，无功功率通过发电机的弱耦合作用影响柴油发电机的有功功率，改变柴油发电机的转速。但是功角δ难于测量，很难利用式(13)对柴油发电机进行直接控制。

另外，有功功率与无功功率又有如下关系：

(16)

式中：θ为功率因数角；λ为功率因数。

由式(13)～式(15)可得：

(17)

根据式(10)、式(17)可得到电压和功率因数与柴油发电机转速之间的关系：

(1)当功率因数不变时，电压偏差的变化规律与有功功率的变化规律相同，与转速的变化规律相反。并且当功率因数非常小时，电压偏差的变化不影响有功功率的变化。转速由于机械惯性作用，其变化滞后于电压偏差的变化。

(2)当发电机端电压不变时，功率因数的变化规律与有功功率的变化规律相同，与转速的变化规律相反。并且当电压偏差非常小时，功率因数的变化不影响有功功率的变化。转速由于机械惯性作用，其变化滞后于功率因数的变化。

4 电压与功率因数模糊控制器设计

根据上述得到的两条规律，在图1中I,II部分结构的基础上，设计电压与功率因对转速的模糊调节控制器，如图1中III部分所示。

4.1 隶属函数设计[6-8]

模糊控制器输入变量为：功率因数λ，基本论域为[0，1]，代表功率因数从0到1变化；电压偏差ΔU的标幺值ΔU*，基本论域为[-1，1]，数值大于0代表当前电压小于基准电压，数值大于0代表当前电压大于基准电压。

u3为输出量，代表转速的调整度，基本论域为[-6，6]，代表转速的调节程度。

4.2 控制规则设计

根据上述的两条规律，设计电压偏差ΔU*与功率因数λ对转速的模糊调节控制规则如图2所示。

图2 突加100%额定负载时系统的调速特性

5 结果与分析

本文设计的多输入调速系统柴油发电机的主要参数：

柴油机为4冲程；额定功率为261kW；额定转速为1 500r/min；机组转动惯量为4.99kg·m2；平均有效压力为1 491kPa；额定扭矩为1 662N·m。

同步发电机的额定视在功率325kVA；额定电压400V；额定频率50Hz；功率因数0.8；极对数为2；励磁机励磁方式为相复励。

本文主要通过DSP外接采集电路采集电压信号、电压与电流之间的相位差、转速信号，并将这些信号传输给电脑。通过电脑处理原始数据得到电压、转速，功率因数等参数，并控制柴油机油门大小，并将采集的数据利用MATLAB作图得到实验结果。电路柴油发电机在空载条件下，6s时突加100%额定负载(功率因数0.8)，转速的动态特性如图3所示，有功功率变化曲线如图4所示，无功功率变化曲线如图5所示，电压变化曲线如图6所示；在100%额定负载(功率因数0.8)条件下，12s时突减负载至空载，转速的动态特定如图7所示，有功功率变化曲线如图8所示，无功功率变化曲线如图9所示，电压变化曲线如图10所示。图中虚线3为模糊PID调节；点划线2表示在3的基础上加入转矩变化率调节；实线1在2和3的基础上加入端电压与功率因数调节。除电压波形纵坐标为实际值，其余波形纵坐标均为标幺值，横坐标均为时间。

图3 突加100%额定负载时系统的调速特性

图4 突加100%额定负载时系统的有功特性

图5 突加100%额定负载时系统的无功特性

图6 突加100%额定负载电压特性

图7 突卸100%额定负载时系统的调速特性

图8 突卸100%额定负载时系统的有功特性

图9 突卸100%额定负载时系统的无功特性

图10 突卸100%额定负载电压特性

以额定转速的±0.25%作为稳态转速容差带，突加100%额定负载时的动态指标：实线1的动态调速率Φ=4.36%，转速恢复时间T=1.2s；点划线2的动态调速率Φ=5.3%，转速恢复时间T=1.42s；虚线3的动态调速率Φ=7.5%，转速恢复时间T=0.44s。

突加负载时，有功功率、无功功率发生振荡，振荡波形频率较高，从波形中无法直接看出优劣。采集6～8s的数据，以额定有功功率和无功功率大小为期望值，比较各种方法的有功功率和无功功率方差的大小。功率方差大的振荡大；方差小的振荡小。在6～8s，实线1有功功率的方差为0.014 069，无功功率的方差为0.014 511；点划线2的方差为0.014 161，无功功率的方差为0.014 533；短虚线3的方差为0.014 255，无功功率的方差为0.014 681。 突加负载时，实线1功率振荡最小，其次为点划线2，虚线3功率振荡最大。

突加负载后，电压波形上经过2～3个周期后达到稳定，从图中可以看出实线1的恢复速度略快于点划线2，点划线2的恢复速度略快于虚线3。

突卸100%额定负载时的动态指标：实线1的动态调速率Φ=2.98%，转速恢复时间T=1.6s；点划线2的动态调速率Φ=3.54%，转速恢复时间T=1.6s；虚线3的动态调速率Φ=8.5%，转速恢复时间T=1.56s。

从所得曲线中可以明显看到，实线1的响应时间以及振荡程度小于点划线2，点划线2的响应时间以及震荡程度小于虚线3。

经过 2～3个周期，实线1电压波形恢复稳定，基本与加载时电压相同；点划线2与虚线3在卸掉负载后电压有不同程度的升高。

6 结 语

本文在模糊PID调速系统的基础上，加入转矩变化率调节，电压与功率因数调节，建立柴油发电机多输入调节系统。结果表明，多输入调节系统可以提高柴油发电机的鲁棒性，提高电压波形的恢复速度，减少负载突变时的功率振荡。

[1] 陆浩，周杰娜，卢江宇杰，等.基于Fuzzy-PID控制的柴油发电机调频研究[J].电测与仪表，2011，48(6):9-13.

[2] 邹开凤，李育学，安士杰.利用MATLAB/Fuzzy Logic进行柴油机电子调速器PID参数模糊自整定设计与仿真[J].内燃机工程，2003，19(6)：67-71.

[3] 李杰,韦庆,常文森.机器人控制器中应用加速度反馈的几个问题讨论[J].自动化学报，2001,27(5):318-325.

[4] 贾园.柴油发电机组并联运行稳定性的研究[D].北京：华北电力大学，2008.

[5] 陈珩.电力系统稳态分析[M].3版.北京：中国电力出版社，2007:17.

[6] MCGOWAN D J，MORROW D J，FOX B.Integrated governor control for a diesel-generating set[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006,21(2):271-280.

[7] 张玉峰,李声晋,卢刚，等.变速集成发电机的变细分模糊PID调速控制[J].微特电机，2012,40(11)：42-45.

[8] 石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京：清华大学出版社，2008：11-22.

Torque Change Rate and Fuzzy Control for Diesel Generating Governor

YANGYong，LILan

(Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

The relationship between diesel generator torque change rates, the generator terminal voltage and power factor and diesel generator speed was analyzed. Based on fuzzy speed control system, diesel torque change rates, the generator terminal voltage and power factor were added as input with speed control signal as output to construct a multiple input single output control system. The speed performance was verified by combining diesel generator and DSP. The results show that the multiple input speed control system for a diesel generating set can improve the anti-interference performance, reduce the power oscillation, and improve the reliability of power supply.

multiple input speed control system; diesel generating set; fuzzy control

2014-12-11

陕西省科技攻关项目(20140322-22)

TM31；TM341

A

1004-7018(2016)01-0071-04