柴油发电机组建模和运行仿真研究

程小松

摘 要：为了使柴油发电机组有更精准的动态仿真，从而进行柴油发电机组模型的制作，便于进行研究。考慮到同步发电机的定子暂态，将变阻抗负荷加入模型中。基于MATLAB的Simulink组建，将实际测试数据当成依据，进行柴油发电机组仿真模型的制作，以此实现其运行的仿真，便于研究的实施。

关键词：柴油发电机组；建模研究；运行仿真研究

柴油发电机组的运行是组成电站运行的重要风分。电站的容量大小与柴油发电机组数量存在着因果关系，电站的稳定性能够直接决定柴油发电机组的稳定性。由于柴油发电机组模型能够直接反应出电站运行控制、仿真和性能，因此其意义十分明显。本文简要阐述柴油发电机组建模和仿真技术，并开展对模型建立、运行仿真的研究。

1、建模方法

模型方法是将一系列模型设计并用来对可能的系统模式进行描述，整体模型通过与特定系统模式匹配模型并行结构的一个确定性组合构成。该建模思想不但能在由多个单元系统组成的非线性系统中应用，同时在描述过于复杂或是无法采取单一方法的系统模型时，还能采用人工技术将系统运行域分离成含有部分特征标志的工作域[1]，随后在工作域中对较为简单的动态行为进行研究从而解答出子问题，最后利用相关合成方法将原始问题的最终答案获得”，因此，在复杂非线性系统的建模中，通常是以多模型切换建模方法进行。

2、仿真技术

随着科学技术的快速发展，研究对象也在逐渐增加，也相应的提高了仿真技术。以往的局部仿真已变为全程仿真，以往的单一平台仿真也逐渐变为多平台分布式仿真，而性能仿真也实现了性能与结构的综合仿真。而仿真技术也在现代信息技术的推动下得到了很好的发展和应用。在任何使用其他方法需要复杂的实际试验或是直接试验能或是不能得到预期成果中都能应用仿真技术，该技术逐渐成为一种科研工具、一种工程实践方法，是将理论和实践相结合的结束。

3、发电柴油机模型

发电柴油机用四冲程高速柴油机，其特点为转速高且稳定性好。以采用型式四冲程，单作用，筒形活塞的发电柴油机为例，柴油机通过弹性联轴器与空冷式发电机连接额定功率和转数540kW×1000r/min。发电柴油机燃用380cst/50℃燃料油，必要时可用轻柴油。对于其仿真，由于主要关注其外部的转矩和转速等，不对其内部燃烧，进、排气、增压过程作详细分析和建模。采用平均值模型并做修正。柴油机产生的平均指示扭矩由燃油平均质量流量mf、燃油低热值Hu、指示效率ηi，及冲程数 st决定。

柴油机的磨擦损失压力Pf看成柴油机转速的二次函数

式中C1、C2为与特定柴油机结构有关的常数，取实验拟合值。

以汽缸容积变化和平均摩擦损失压力为参考能将平均摩擦损失功率得到，从而得出平均摩擦转矩Tf：

柴油机的输出转矩是喷油量δ、转速ω、进气量系数α的函数。也可看成油门开度或动力活塞位置Ζ的函数。在近似模型中将柴油机油门开度增量和转矩增量认定为线性关系：

将其转为标值方程，将Δ除去。Td是转矩增量，α是油门开度增量，td是

延迟时间常数。即得：

在进行柴油机精确模型建立时，必须对其转动微分方程进行考虑：

在柴油机的系统稳定工作点附近，存在：

输出转矩增量ΔTd是转速增量和活塞位置增量的函数：

阻力矩增量ΔTc是转速增量和负荷因数增量的函数：

将上两个公式代入得

4、柴油发动机组运行仿真

图1中，负载模块（恒定阻抗和变负载模拟）、调速器模块、各台柴油机模块、并车控制模块、坐标变换模块、同步发电机模块和励磁控制模块共同构成了仿真模型，负载有功和无功功率由各台发电机合作承担。维持电网用电负荷不变，仅增加一台发电机输入功率能将其输出有功功率提高，而另一台发电机则会降低有功功率。增加发电机组输入功率会加快其转速，另一台由于减少了功率也会加快转速，因此在一定程度上提高了电网的频率[3]；而如果仅降低一台发电机输入机械功率，电网频率也会降低。所以为了使电网频率维持不便，必须对并联机组的输入功率向反方向同时调节。

5仿真结果分析

在起动的第一阶段，压缩空气产生的机械功率较小，进入起动过程的第二阶段后，柴油机的机械功率在其调速器作用下，调节喷油量，先是机械功率大幅度增加，使柴油机转速急剧上升，然后机械功率减小使转速稳定至同步转速。发电机端电压建立过程中频率从小到大，最后稳定在50Hz，发电机的端电压的幅值逐步增加，最后稳定在400V。

6、结语

本文通过制作发电机组的模型和运行仿真，能沟将实际柴油发电机组运行过程较为完整的反应出来，其运行情况与实际运行情况较为符合，利用该方法能将并联运行动态仿真中存在的精度问题解决，并在确保仿真精度的前提下将其运算速度提高。

参考文献：

[1]李东辉.船舶柴油发电机组的建模与运行仿真研究[D].大连海事大学，2011.

[2]陈金涛，赵同宾，冯明志，艾钢，曾宪友.基于AMESim的柴油发电机组建模与仿真[J].柴油机，2008，（01）：5-9.

[3]刘雨.船舶柴油发电机组的建模与智能控制的仿真研究[D].大连海事大学，2002.endprint