船舶柴油发电机组控制模块仿真测试系统的设计与实现

徐敏航， 梁浩哲， 曲 婧

(1.海军驻上海711所军代表室，上海 200135；2.上海船舶运输科学研究所 舰船自动化分所，上海 200135)

船舶柴油发电机组控制模块仿真测试系统的设计与实现

徐敏航1， 梁浩哲2， 曲 婧2

(1.海军驻上海711所军代表室，上海 200135；2.上海船舶运输科学研究所 舰船自动化分所，上海 200135)

为验证一种船舶综合电站发电机组并联控制模块的功能和性能，设计开发基于Simulink船舶电站系统的仿真模型，并以该模型为基础构建硬件在环(Hardware-In-Loop，HIL)测试系统，为测试并联控制器的功能提供测试环境。仿真试验结果表明, 该系统能真实、准确地模拟船舶电站在正常运行和故障运行时电网上各部分的电压、电流情况及柴油发电机组的运行情况，该测试环境能正确、有效地测试并联控制器的控制效果，具有一定的工程应用价值。

船舶电站；发电机并网；系统建模；硬件在环测试

0 引 言

船舶电站是船舶的重要组成部分，随着船舶电力系统的单机容量和电站容量不断增大，船舶供配电系统控制与管理的复杂程度和自动化程度越来越高，船舶电站的供电质量和系统的稳定性越来越受重视，因此对大型船舶电力系统进行研究和分析具有一定的现实意义[1-3]。船舶电力系统具有以下特点：

1) 船舶电力系统的发电机组是柴油发电机组，系统用电负载的种类较多；

2) 电力系统的动态变化范围较大，系统的动态过程变化频繁。

在船舶电站系统中，柴油发电机组的控制模块具有调速、调压、启动、制动、并网和反并网等重要作用，作为命令的“决策机构”，控制着发电机组的整体运行[4]。在突增或突卸用电负载的工况下，控制模块往往会根据要求自主决定在网柴油发电机的数量。为保证船舶运行的经济性及延长系统的使用寿命，当单台发电机的容量达到或超过其额定容量的 80%时，通常需再向电网中并入1台或多台发电机，以保证电网安全运行[5]。在柴油发电机组控制模块正式投入运行之前，需对船舶电站系统的参数进行整定和一系列的调试与评估，包括系统的静态特性、动态特性等，甚至需模拟一些可能出现的故障，以保证系统具有一定的容错性[6]。对此，有必要根据要求建立船舶电站的仿真模型并开发硬件在环测试环境，从而进行控制模块的测试。

利用柴油机动力学平衡方程建立船舶柴油机的数学模型并搭建其仿真模型，根据电机故障和不同种类的负载扰动验证该船舶电站在理论上的可行性。在此基础上，采用P型仿真模型对柴油机的并联控制器进行实时仿真测试。

1 系统建模

1.1 船舶电站系统的组成

船舶电站系统主要由发电装置(柴油机、发电机等)、配电设备(断路器、各种配电板等)、输电设备(各种线缆)和用电设备(通信设备、电动机、照明装置等)等4部分组成，是船舶上电能产生、分配、输送及使用等全部装置和网络的总称[7-8]。典型船舶电站结构示意见图1。

基于柴油机转速控制系统设计船舶电站系统，并采用NI PXI系统对船舶电站模型建立试验环境，进行仿真验证。在该测试环境中,不仅能实时显示电网中的参数，而且能在线整定相关控制参数，方便在测试过程中对不同工况进行仿真模拟。

1.2 可调速柴油发电机仿真模型的建立

柴油发电机包括柴油机和发电机2部分。在对柴油机建模过程中，根据达兰贝尔原理建立柴油机数学模型，若考虑柴油机的摩擦扭矩，则可得平衡方程为

(1)

式(1)中:Md为柴油机发出的扭矩;Mf为柴油机的摩擦力矩;Mc为柴油机负载摩擦力矩;J为柴油机的转动惯量;n为柴油机转速。

当柴油机空载时，由式(1)可得

(2)

轴系摩擦损失经验公式为

(3)

式(3)中:n为轴系转速;nH为轴系额定转速;Mf为轴系摩擦扭矩;MfH为额定转速下的轴系摩擦扭矩。根据以上方程建立可调速柴油机的Simulink模型见图2。

图2中左侧从上到下依次为手动加减速和给定转速输入端口，信号经过累加后输入到PID控制器中，控制器经过运算将发出的控制信号输入到执行器中。为降低系统参数变化和扰动产生的影响，在执行器后面加入传递函数作为补偿环节。经过校正补偿的转速偏差信号可通过柴油机“转速-油门位置”曲线获得对应转速下的扭矩偏差。为防止发生柴油机“飞车”情况，加入限幅模块，对输出扭矩的最大值予以限制。控制器采用常规PID控制算法，将柴油机实时转速反馈给比较器构成负反馈闭环控制系统。可调速柴油机模型是依据兰贝尔原理和工程经验公式建立的,可较为真实地仿真可调速柴油机实际运行的效果，满足测试对象的测试需求。

1.3 柴油发电机励磁模块

待并网柴油发电机的励磁模块Simulink模型见图3，电压幅值设定输入端既可输入固定值，也可手动调节。在并车过程中,对励磁模块控制策略采用的是自同步并联方式，即:首先将未加励磁电流的待并网发电机组的转速上升至额定转速附近；然后依据并车的三要素在合适的时机将发电机组投入并联;最后加上直流励磁，此时依靠定子与转子磁场间形成的电磁转矩，可把转子自动牵入同步中。

1.4 船舶电站系统仿真模型的建立

根据可调速柴油发电机仿真模型，结合MATLAB/Simulink模块库自带的同步电机模型及励磁模块，组成柴油发电机模型。柴油发电机稳态运行时，2台发电机将输出电压经过测量模块、支路开关和隔离开关输送至汇流排，再通过各支路开关输送至各用电负载。为模拟工程船舶的实际负载使用情况，建立2种负载模型，分别是大功率起重机和阻感负载。

图4为船舶电站系统，其中Controller模块为柴油发电机并联控制器，作用是在系统单机功率不足时增大系统功率，在满足并车三要素的前提下自动向待并网机组发出并网指令，对待并网机组的支路开关进行“合闸”操作。

2 仿真试验

为验证模型的真实性和正确性，对柴油发电机的转速、输出电压、定子电流和功率等参数进行仿真测试(见图5～图7)。由图5～图7可知：启动第1台柴油发电机后，随着转速的增加，发电机逐渐建立起符合需要的电压；在约2 s处，发电机转速达到1 500 r/min，频率达到50 Hz，电压幅值达到220 V;随着负载功率的增大，柴油发电机负荷增大，在约3 s处由于单机功率不足，需启动待并网柴油发电机。控制器对待并网柴油机发出启动信号，此时待并网柴油机组启动，在收到并联信号约2 s后，待并网柴油发电机转速基本达到额定转速，逐渐建立起给定电压;在约5.4 s处经过控制器计算，在符合并网三要素的前提下，对待并网柴油机实施“并网”操作，可看到在约5.4 s处对2台发电机均有一定的冲击电流产生，大小在合理范围内。随着后续阻性负载和阻感负载并入电网，母线电流继续增大，无功功率增大，符合实际。

3 硬件在环测试平台设计开发

NI Veristand是一种配置实时测试应用程序的软件环境，可利用.dll文件导入Simulink创建的算法或仿真模型，过程为：

(1) 在Simulink环境中创建模型;

(2) 利用MATLAB RTW将Simulink模型编译为C代码;

(3) 利用VC将C代码编译为 Model_name.dll;

(4) 在NI VeriStand中直接添加由模型生成的*.dll文件。

在此基础上，创建一个硬件在环测试模型,过程为：

(1) 使用LabVIEW配置NI PXI现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)板卡上对应的接口。项目中采用型号为NI 7852R的FPGA板卡，可根据需求采集和输出一定的模拟量及数字量。在完成对采集和输出信号的定义之后进行编译，将生成的FPGA配置文件导入到Veristand中，生成对应的接口。

(2) 对Simulink模型进行编译后会生成.dll文件，将该文件添加到Veristand中，并定义Simulink模型中输入输出接口和硬件端口的一一对应关系，经过配置参数、部署和执行系统定义文件、编写底层驱动、添加控件及编辑可视化窗口界面等一系列操作，生成模型对应的监控界面，便于后期查看模型的运行情况。

(3) 通过以太网连接计算机和NI PXI，使其正常通信;同时,按照模型和硬件的接口对应关系连接硬件及接线盒。此时已建立起一个硬件在环测试环境，当启动NI PXI时，可运行Veristand并查看其在测试环境中的运行效果。运行过程中模型的参数可通过外部硬件微调。

硬件在环(Hardware-In-Loop,HIL)测试系统运行的结果见图8和图9，可看到在监控界面中不仅能显示柴油机和系统运行状态的相关参数，而且可在运行过程中通过改变这些参数得到不同状态下的响应。

4 结 语

为对并网控制器模块进行测试，开发一套HIL测试系统。该系统不仅能动态模拟船舶电站的运行过程，而且可在运行过程中对实时改变的参数作出相应的响应。通过对柴油发电机进行调频、调压和调载等方面的测试，可完全模拟船舶电站实际运行的过程。仿真结果表明，该测试系统能很好地满足测试需求，可为并联控制器模块的测试提供较大的便利。

[1] 张德丰. MATLAB控制系统设计与仿真[M]. 北京:电子工业出版社, 2009: 161-162.

[2] 陈成功. 船电系统中同步发电机的建模与仿真研究[D]. 上海:上海交通大学, 2011: 33-34.

[3] 郑三立,黄梅,张海红. 电力系统数模混合实时仿真技术的现状与发展[J]. 现代电力,2004，21(6):29-33.

[4] 胡发斌. 船舶柴油发电机组并网控制及稳定性研究[D]. 武汉:武汉理工大学, 2014: 12-13.

[5] 施伟锋,郑华耀. 船舶自动化电站系统仿真[J]. 系统仿真学报,2003,15(9):1249-1252.

[6] 黄曼磊,李殿璞. 船舶电站同步发电机调压系统的数学模型[J]. 哈尔滨工程大学学报，2004,25(3)：305-308.

[7] 韩富春, 闫根弟. 暂态稳定数字仿真中发电机数学模型的研究[J]. 太原理工大学学报,2005,36(1):75-78.

[8] 赵春峰. 船舶主电力系统建模及仿真研究[D]. 大连:大连海事大学,2007:11.

Development of Simulation Test System for Marine Diesel Generator Set Control Module

XUMinhang1,LIANGHaozhe2,QUJing2

(1.Navy Military Respesentative Office in Shanghai 711 Research Institute, Shanghai 200135;2.Ship Automation Branch, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

To verify the functionality and performance of the generator set synchronization control module in the marine integrated power plant this paper constructs a simulation model based on the Simulink ship power station system, and develops an HIL (Hardware-In-Loop) test system with the model to provide a function testing environment for the control module. The Simulation system is tested, which shows that the system can accurately simulate the operation of the diesel generating set and the voltage and current on the power grid in normal/fault operation and the process of synchronization switching.

ship power station; generator synchronization; system modeling; HIL test

2016-09-28

上海市青年科技启明星计划资助项目(15QB1400800)

徐敏航(1979—)，男, 山东招远人，工程师，主要从事船舶机电研究。

1674-5949(2017)01-0033-06

U664.142

A