柴油发动机-发电机组转速控制方法研究

陈路明 贾琦

摘要：为分析不同转速控制方法对柴油发动机-发电机组的作用效果的影响，本文选取三种具有代表性的控制方法，首先从理论层面分析各自工作特点，给出预期的控制效果;而后基于MATLAB/Simulink软件进行仿真实验，记录不同控制方法下的工作点分布数据。通过对仿真实验数据进行分析，进一步验证了理论分析结果，为确定不同负载下的转速控制方法提供了理论支撑。

Abstract： To analyze the influence of different speed control methods on the effect of diesel engine-generator sets， this paper selects three representative control methods. Firstly， their working characteristics are analyzed from the theoretical level and the expected control effects are given. And then， based on MATLAB/Simulink， several simulation experiments are conducted and the distribution data of operating points is recorded under different control methods. Through the analysis of the simulation experiment data， the theoretical analysis results are further verified， and the theoretical support is provided for determining the speed control method for different loads.

關键词：柴油发动机;发电机;转速控制

Key words： diesel engine;generator;speed control

中图分类号：TM314                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0034-02

1  背景意义

柴油发动机-发电机组是由柴油发动机经过增速或减速装置，带动发电机旋转产生交流电或直流电的动力组合装置。柴油发动机-发电机组具有结构紧凑、功率密度高等特点，目前已在工业生产、重型车辆、大型船舶等领域得到应用广泛，成为各类用电平台中重要的电能生成装置。因此，柴油发动机-发电机组的工作效果直接决定了电力系统的能量利用效率和供电质量。其中，柴油发动机-发电机组的转速控制方式对其工作效果具有至关重要的作用。

根据转速控制方法的不同，普遍采用的柴油发动机-发电机组的控制方式大致分为三种类型，分别为定转速控制、最佳燃油消耗曲线跟踪控制以及转速滞环控制。不同的负载特性通常适用于不同的转速控制方法，为深入分析不同转速控制方法的工作特点，本文围绕上述三种典型的转速控制方法，分别进行理论分析和实验验证，最终给出不同转速控制方法的适用条件。

2  转速控制方法理论分析

2.1 定转速控制

定转速控制就是将发动机限制运行于某一恒定转速，仅通过调整发电机转矩来满足给定功率需求，保证负载的正常工作。从控制角度来讲，由于发动机始终工作于某恒定转速，不需要动态调速，因此功率响应较为迅速，具有控制简单、实时性高等优点。

某型号柴油发动机的万有特性曲线如图1所示。

当发动机需求功率变化范围通常较大时，发动机通常工作于较宽的转矩区间。该方法不能保证发动机处于最佳燃油消耗点，对发动机工作状态控制效果较差，使得发动机整体工作效率偏低;同时为满足发动机输出功率需求，其转矩变化范围将变得很宽，尤其当发动机功率剧烈变化时，会导致较为剧烈的转矩脉动，对发动机产生较为不利的影响。

2.2 最佳燃油消耗曲线跟踪控制

最佳燃油消耗曲线跟踪控制是指在给定输出功率时，发动机燃油消耗率最低点对应的转速点的集合，即最佳发动机转速-功率曲线。

由万有特型曲线可以得到某一功率对应不同转速下的单位输出功率的耗油量大小，可得发动机在该输出功率时，最小燃油消耗所对应的发动机转速。照此方法得到各功率等级所对应的发动机最佳转速，表示结果如图2所示。

2.3 转速滞环控制

转速滞环控制是将发动机的转速分为若干区间，使得每个区间都兼顾一定的功率范围，保证各区域的燃油经济性均较高。在每个转速区间，发动机始终工作在一个恒定的转速点，通过调整发电机转矩实现对目标功率的有效跟踪。转速滞环划分结果如图3所示。

当发动机目标功率未超过当前转速区间功率覆盖范围时，通过调整发动机转矩跟踪功率变化;当发动机目标功率超过当前转速区间功率覆盖范围时，通过控制发动机切换到新的恒定转速，实现对发动机目标功率的有效跟踪;当发动机在临界功率附近剧烈变化的，通过增加功率滞环来避免发动机转速的频繁切换。

3  转速控制方法仿真实验

由前文理论分析可知，定转速控制具有诸多不足，表现为控制灵活性较差、工况适应面窄等，在实际应用中越来越少，因此仅对后两种方法进行仿真实验。

在MATLAB/Simlink构建柴油发动机-发电机组仿真模型，采用最佳燃油消耗曲线跟随控制方式得到的仿真结果如图4所示。随着功率需求的不断变化，发动机转速不断进行调整，其转速和功率点大致分布在最佳燃油消耗曲线附近。

转速滞环控制的仿真结果如图5所示。随着功率需求的不断变化，发动机工作于若干不同的转速点，其转速和功率点大致分布在规定的发动机工作区间段。

4  结论

本文围绕柴油发动机-发电机组的转速控制问题，首先从原理上对比分析了三种不同的控制方法，然后利用MATLAB/Simulink对后两种方法进行了仿真实验。最终结果表明，最佳燃油消耗曲线跟踪控制方法和转速滞环控制方法均能够考虑油耗因素，且功率和转速分布区间广泛，相较定转速控制方法控制效果提升显著。在实际应用过程中，可根据转速变化的指标要求，优先选用后两种转速控制方法。

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