邵梦麟，梁前超，邬 健

（1．海军工程大学舰船动力工程军队重点实验室，武汉 430033；2．海军工程大学动力工程学院，武汉 430033）

0 引言

舰船综合电力推进系统由于具有很高的经济性、机动性及可靠性等优势，已成为未来舰船动力的主要发展方向[1]。燃气轮机由于其功率大、重量轻、振动小，成为综合电力系统原动机的理想选择。而船舶电网作为一个独立运行的孤立电网，电站容量小，对电力负荷大范围变化比较敏感[2,3]。当电网负荷发生波动时，燃气轮机发电机组作为综合电力系统的电源，其控制系统需实时可靠地调节机组转速和发电机端电压，以保证电网频率和电压的稳定性。

船用燃气轮机发电机组控制包括燃气轮机转速控制和同步发电机励磁控制两个方面，转速控制使机组以恒定转速运行，对船舶电网频率及发电机有用功率输出有直接影响；励磁控制直接影响发电机端电压稳定和发电机的无功功率输出。文献[4,5]基于机理建模分析方法建立了燃气轮发电机组的动力学仿真模型，进一步对燃气轮机的控制策略进行分析研究，但未从保证电网电能品质出发，结合发电机端电压控制进行综合研究。本文围绕燃气轮机发电机组转速及发电机端电压的控制策略展开研究，采用Matlab/Simulink软件建立某单轴燃气轮机发电机组控制系统仿真模型，结合船舶电网供电指标，研究所建立控制系统模型的动态响应特性。

1 燃气轮机转速控制系统模型

将同步发电机及其励磁系统作为一个电磁相互作用的整体单元，船舶燃气轮机发电机组是以燃气轮机为原动机，通过机械轴带动发电机的转子旋转，将机械能转化为电能的系统，其控制结构如图1所示。同步发电机为燃气轮机的机械轴负荷；电网的电力负荷作用到同步发电机上，发电机通过机械转矩作用于燃气轮机。

如图1所示，燃气轮机控制系统由转速控制系统、加速度控制系统和温度控制系统组成。三个控制系统输出的燃料值参考指令经过最小值选择器，将最小的燃料基准值送到燃料控制系统，对燃气轮机的供油量进行控制。

1）转速控制系统

图1 船舶燃气轮机发电机组控制系统结构图

机组的转速与电网的频率两者之间总存在一定的偏差，转速控制的目的就是跟踪电网负荷的变化，调节机组转速，使偏差控制在允许的范围内，从而保证机组发出电能的频率品质，转速控制通常采用带惯性的比例算法，输入为给定转速与实际转速的偏差。

2）加速度控制系统

加速度控制系统在正常情况下不起作用，是一种限制性控制，只在燃气轮机启动过程中限制机组的启动加速率或在机组突然甩负荷时抑制动态超速，以防止转子加速度过高威胁机组的安全。

3)温度控制系统

燃气轮机涡轮的进口燃气温度很高，为了避免高温燃气对涡轮叶片产生损害，在运行中必须使涡轮进气温度控制在一定范围内，保证燃气不超温。采用热电偶对燃气轮机排气温度进行测量，根据测量原理，温度测量模型由测温元件和温度场两部分的动力学模型构成，其模型分别为：1/(1+2.5s)和 0.8+0.2/(1+15s)。

综上，建立某型单轴燃气轮机和控制系统仿真模型如图2所示。

2 同步发电机励磁控制系统

励磁系统的基本功能为能供给和自动调节同步发电机的磁场电流，使得发电机的电力输出在连续容量之内变化时能维持端电压不变[6]。船舶大功率同步发电机励磁控制系统结构如图3所示。

3 协调控制系统仿真实验

发电机端电压和机组转速是一对相互耦合的变量，其中一个变量发生变化会引起另一个变量变化。转速控制和励磁控制作为这两个变量的控制系统，需相互协调，达到同时控制燃气轮发电机组转速及电压稳定的目的，以满足船舶电网对供电质量的要求。

如图4所示，分别建立燃气轮机及其控制系统仿真模型和同步发电机及其励磁控制系统仿真模型，并根据模型接口之间的关系进行连接并调试，搭建船舶燃气轮机发电机组控制系统仿真模型。由于船舶负载中，多是感性负载，故采用三相RL负载通过控制主开关的通断模拟实船负载变化进行仿真，研究所建立的燃气轮机发电机组控制系统的动态特性。模型中所用变量均采用无量纲形式，以标么值（pu）表示，额定工况下变量值为1。

图2 某型单轴燃气轮机和控制系统仿真模型

图3 同步发电机励磁控制系统结构框图

图4 燃气轮机发电机组协调控制系统仿真模型

3.1 突增负荷仿真实验

当发电机组空载运行达到额定转速并稳定运行后，在15s时，突增50%电力负荷；30s时突增另外50%负荷。突增负荷过程中发电机组各参数变化情况如图5-图9所示。

从图5-图8可知，当机组空载稳定运行后，在15s突增50%负载，原动机功率明显增大，并经机组调速系统控制，约1.5s稳定下来；发电机端电压受到冲击后，在励磁控制系统作用下，不到1s迅速稳定到额定值3%以内；机组转速降低约2%，经转速控制系统调节，约2.5s稳定到基准转速。在30s机组突增50%负载后，各参数变化曲线与上述分析基本相似。

图5 原动机输出功率变化曲线图

由图9可知，机组空载运行时，定子电流为零；在15s和30s时，由于负载增加，电流均相应增大，随后保持在稳定值。

图6 燃气轮机燃油信号变化曲线图

图7 燃气轮机发电机组转速变化曲线图

3.2 突卸负荷仿真实验

当燃气轮机发电机带负荷稳定运行后，在15 s时，突卸50%电力负荷；30s时突卸另外50%负荷。机组一系列参数变化情况如图10-图14所示。

图8 发电机端电压变化曲线图

图9 发电机定子电流变化图

图10 原动机输出功率变化曲线图

从图10-图14可知，当机组带负载稳定运行后，在15s突减50%负载，原动机功率快速下降，存在小范围波动，经机组调速系统控制，约1s后稳定下来；燃气轮燃油量降低；在励磁控制系统作用下，发电机动态电压恢复到稳定值3%以内的时间明显小于1.5s；机组转速升高约1%，经转速控制系统调节，约2s稳定到基准转速。在30s机组突减50%负载后，各参数变化曲线与上述分析基本相似。

由图14可知，在15s和30s时，由于负载减少，电流均相应降低，随后保持在稳定值，30s之后，机组空载运行，发电机定子电流为零。

图11 燃气轮机燃油信号变化曲线图

图12 燃气轮机发电机组转速变化曲线图

图13 发电机端电压变化曲线图

结果表明：在变工况过程中，发电机组动态响应特性满足《GBT-13030-2009船舶电力推进系统技术条件》对船舶电网供电系统要求：原动机在突卸50%和空载下突加50%额定负载，其瞬态调速率应不超过±10%，稳定时间不大于5s；电网电压和频率的瞬态变化应在±10%内，持续时间不超过5s。

图14 发电机定子电流变化图

4 结语

本文主要围绕燃气轮机发电机组转速及发电机端电压的控制策略展开研究，采用Matlab/Simulink软件建立某单轴燃气轮机发电机组控制系统仿真模型，对其进行突增及突卸负荷仿真研究，结合船舶电网供电要求指标，分析发电机组一系列参数的不同响应过程。

研究结果表明：当电网负荷大范围变化时，在燃气轮机发电机组调速控制系统与励磁控制系统共同作用下，发电机组具有良好的调速及调压性能，满足船舶电网对供电品质的要求。

[1]周瑞,柳波,周安宇.用于舰船综合电力推进的燃气轮机关键技术[J].航空发机,2013,39(4):89-94.

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[5]赵景峰,叶春,秦春申.燃气轮机及其控制系统的综合建模研究[J].华东电力,2005,33(4):13-16.

[6]施伟锋,许晓彦.船舶电力系统建模与控制[M].北京:电子工业出版社,2012:117-118.