船舶柴油发电机组的建模与运行仿真研究

论文摘要

船舶柴油发电机组的运行过程是电站运行的重要组成部分。并联运行的柴油发电机组数量决定了船舶电站的容量。并联运行的稳定性与船舶电站的稳定性密切相关。建立能准确反映柴油发电机组运行的数学模型对电站的运行控制、仿真和性能分析都具有重要意义。柴油发电机组并联运行过程的研究涉及到柴油发电机的模型、并联运行控制模型、电力负荷模型等的建立。其中,柴油发电机模型尽管存在一些不同的建模方法,但大多数仅限于单台模型仿真。本文以柴油发电机模型为核心,建立了多台柴油发电机组并联运行的数学模型。本文以“育鲲”轮的船舶电站为参考对象,分别建立了柴油发电机模型、电力负荷模型,并联运行控制系统模型。在此基础上,构建了并联运行过程的仿真模型,以Matlab/simulink为仿真工具,进行了仿真分析。仿真结果与实船测试数据进行了对比。同步发电机模型是柴油发电机组模型的重要组成部分,对计算精度和仿真实时性有很大影响。本文充分考虑定子暂态对动态性能的影响,改进同步发电机的数学模型,引入七阶状态方程组,提高了动态仿真精度。对柴油发电机加载、卸载及压缩空气起动过程进行仿真,结果符合实际情况,也验证了模型的正确性。在简化参数的条件下,建立对电力系统稳定性影响最大的电动机负荷模型。在统一坐标下,采用派克变换,将变阻抗方法运用到柴油发电机组状态方程组中,避免求解微分代数方程组,提高运算速度。采用simulink组件进行了仿真,得到了满意的结果。分析了并联运行过程中同步的物理规律和特点,根据并联运行控制原理,提出了并联运行过程中负载转移仿真方法。定义了“并联运行稳定度”来表示并联运行的稳定程度,并分析了并联运行稳定性。考虑计算精度与仿真实时性的矛盾,进一步简化模型,并将其运用到船舶电站模拟器上。柴油发电机组的建模与运行仿真是船舶电站研究的一个重要领域,文中改进了同步发电机模型,引入了变阻抗方法建立电动机负荷模型,提出了柴油发电机并联运行过程的数学模型,首次提出并定义了并联运行稳定度的新概念,给出发电机组摇摆角曲线参数求解方法。上述对于电站的控制、仿真和性能分析有重要意义,并为研制电站模拟器奠定了重要基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.3 本文的研究目标和内容
• 1.4 研究方法、技术路线
• 1.5 本文的章节安排
• 第2章 研究对象和建模方法
• 2.1 研究对象
• 2.1.1 船舶电力系统的构成
• 2.1.2 船舶电力系统的特点
• 2.1.3 柴油发电机组的自动控制
• 2.2 仿真技术及工具
• 2.3 建模方法
• 2.3.1 多模型切换方法
• 2.3.2 建模与仿真中的问题
• 2.4 数值算法设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 柴油发电机组建模
• 3.1 发电柴油机数学模型
• 3.1.1 柴油机及调速器仿真模型
• 3.2 同步发电机的数学模型
• 3.2.1 派克变换
• 3.2.2 d-q轴系下同步发电机的基本方程
• 3.2.3 用电机参数表示的同步发电机的数学模型
• 3.2.4 无刷励磁原理
• 3.2.5 励磁控制系统模型
• 3.3 柴油发电机组仿真模块
• 3.4 负荷模型
• 3.5 柴油发电机组突加、突卸负荷过程实测与仿真
• 3.5.1 仿真结果分析
• 3.5.2 结论
• 3.6 柴油发电机组起动过程仿真
• 3.6.1 柴油发电机起动模型的建立
• 3.6.2 仿真结果及分析
• 3.6.3 结论
• 3.7 柴油发电机组短路故障仿真
• 3.7.1 发电机的三相短路计算原理
• 3.7.2 发电机的三相短路故障仿真
• 3.8 本章小结
• 第4章 船舶电力系统的负荷建模
• 4.1 负荷模型对与电力系统仿真的影响
• 4.2 电动机负荷建模
• 4.2.1 考虑机械暂态的电动机变阻抗数学模型
• 4.2.2 考虑电磁暂态和机械暂态的电动机数学模型
• 4.3 本章小结
• 第5章 柴油发电机组并联运行过程的建模
• 5.1 并车的原理和条件、控制方法
• 5.1.1 手动并车过程
• 5.1.2 自动并车过程
• 5.2 自动调频调载原理
• 5.3 柴油发电机组并联运行过程的数学模型
• 5.3.1 非同期合闸时冲击电流和电磁转矩
• 5.3.2 并车时的动力学方程
• 5.3.3 并联运行发电机的数学模型
• 5.3.4 并联运行负载转移仿真
• 5.4 并联运行过程的仿真模型
• 5.5 实测与仿真结果分析
• 5.6 柴油发电机组并联运行的稳定性分析
• 5.6.1 定义并联运行稳定度
• 5.6.2 摇摆角度振荡曲线各参数求解方法
• 5.6.3 同步发电机的振荡
• 5.7 本章小结
• 第6章 船舶电站的建模与仿真实现
• 6.1 船舶电站模拟器开发背景及现状
• 6.2 电站模拟器的硬件构成
• 6.3 人机界面软件设计
• 6.4 逻辑控制软件
• 6.4.1 机组的启停控制逻辑
• 6.4.2 发电机组并车控制逻辑
• 6.4.3 主电网失电控制逻辑
• 6.4.4 机组过载控制逻辑
• 6.4.5 自动卸载控制逻辑
• 6.4.6 解列控制逻辑
• 6.4.7 重载询问控制逻辑
• 6.4.8 故障处理逻辑
• 6.5 模型仿真软件
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 附录A 研究中使用的有关数据
• 附录B 部分程序及说明
• 攻读学位期间公开发表的论文
• 攻读学位期间参加的科研项目
• 致谢