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柴油发电机组暂态过程的数值模拟
摘要：本文论述了一种柴油发电机组作为主要的能源来源，在隔离区和作为后备能源的情况下，可再生能源系统的数值模拟。数值模型是使用MATLAB / SIMULINK软件包完成的，在利用计算机辅助设计开发复杂的混合动力系统的情况下，这些软件起着很关键的作用。本文对几个设备的操作方法进行了研究。通过在一种开普型柴油发电机组的实验测量完成了数值计算。
关键词：柴油发电机组；数学模型；实验分析
1.介绍
日益增长的能源需求，化石燃料的不断减少和环境污染的日益严重，迫使人类探索新的生产技术，使用清洁的可再生能源，如风能、太阳能等可再生能源。
这些使用可再生能源的电力技术中，在利用太阳能和风能的基础上转变的能源具有清洁、无噪音、可靠、维护成本低和对生态造成的影响小等特点。太阳能和风能是免费的，几乎取之不尽，并且没有污染残留物或温室气体排放。虽然拥有这些优势，但是由于风速的不可控性波动和日夜交替、冬夏变换等因素，完全使用太阳能和风能作为电力生产系统中的主要能量来源存在技术问题。因此，在自治区域，对当地电网的连续性供电应该由其他可靠、无波动的能源如柴油发电机组等作为主要的来源。这样的设计用于分散使用生产的电力的系统称为混合动力系统。
通过结合几种可再生能源（风力/光伏/柴油）的混合动力系统，也许可以确保在某个规定的时间内和最低的电力需求条件下，在最佳质量参数下供电，从而提高供给给消费者的电力的可靠性。
在使用柴油发电机组作为主要的能源来源或作为应急电源的隔离区引起了人们的注意，他们在可再生能源发电系统在这方面进行了观察研究，可以查阅到大量的论文和资料。在这一领域的研究是指这些方面，如：岛屿柴油发电机组的操作[ 1 ]，柴油/光伏/风能混合发电系统的模拟[ 2 ]- [ 3 ]，使用特殊调节技术的数值模型，如神经网络和模糊逻辑[ 4 ]- [ 6 ]等。对这些调控技术的各个方面可以在[ 7 ] - [ 8 ]找到。本文的主题是研究在柴油发电机集成混合系统作为后备能源的的操作系统上的数值模拟。数值分析是在开普型柴油发电机组上试验研究完成。
2 柴油发电机组
柴油发电机组是通过内燃机将燃料能（柴油或生物柴油）转换为机械能，然后接上一台电机作为发电机工作从而将机械能转换成电能的系统。
2.1柴油发电机组的主要部件及其特性
柴油发电机的主要部件有：内燃发动机，空冷或水冷油箱；发电机同步装置；机械耦合装置；支持底盘；发电机启动电池；油箱；起动电机；命令面板等
柴油发电机组的主要特点是：额定功率、额定电压、额定频率、相数等。
柴油发电机组通常设计成转速为3000转或1500转，频率为50赫兹。这样做的主要目的是配备监管机构的内燃机能够保持对速度、集成式喷油泵进行调整，无负载下输出频率约为52HZ，有负载时输出频率为50HZ。
柴油发电机组的正常运行在很大程度上取决于速度调节器和电压调节器这两大主要组成部分。这些组件的性能对于柴油发电机组的操作和使用至关重要的，其目的是为了精确地保持电力（电压和频率）在额定参数下运行。
设计调速器的目的是为了调节内燃机的转速，通过改变发动机的燃油进给量来保持恒定的速度。这一速度调节的直接结果是在发电机端产生稳定频率的电压（电压频率与发电机的转速成正比）。保持恒定的频率需要一个精度良好、响应时间快的速度调节器来控制。当发电机端的各种用电负载连接或断开时，调速器开始工作。
调速系统有很多种，包括简单的以弹簧为基础的调速系统和复杂的在给定的负载范围内 能动态调节燃料进气阀从而保持速度响应时间变化小于1-3秒的液压和电子系统。
电压调节器的主要作用是通过尽可能限制由于负载变化过快导致电压峰值过大和过电压的发生来保持其输出电压的稳定。电压调节器通过改变发电机中的励磁电流大小来控制输出电压的幅值。
2.2柴油发电机组的使用
柴油发电机组在那些是不可能连接到电网的地区（如电能供应的家庭、别墅、度假屋，独立的场所，工业场所的设备，户外娱乐活动的电气设备、军事设备、通讯设备等）作为独立的供电设备，或作为急救制度在发生停电的时候作为备用电源。柴油发电机组通常在那些工作过程中不允许停电，一旦失去电力便会失控或产生重大损失的场所（如消防泵、电梯、安全照明设施、银行、医院、政府办公楼、写字楼、超市、大饭店、宾馆、商场、体育场馆、机场、加油站私人住宅等）作为急救系统的一员发挥着重要的作用。
通常情况下，与柴油发电机组并联使用的系统具有缓冲作用，能够确保短时间内对重要消费者提供连续性的电力供应直到柴油发电机组开始启动。从作为电网电压跌落最小检测组合中的内燃机启动到发电机的输出（频率和电压）和负载的连接达到平衡通常需要至少10-15秒。
在基于可再生能源发电系统的情况下，由于非常规能源（例如风能和太阳能）的波动特征，柴油发电机组具有特别重要的意义，其作用是在可再生能源变得不可用或不足的期间保持地方电网电力的连续性。
3柴油发电机组的数值模拟
柴油发电机组的复杂方面的分析，需要可靠的数值模型，允许在不同的操作制度特别是在条件尽可能接近现实的内燃机装配中模拟同步发电机。
同步发电机是柴油发电机组的关键部件。它将原动机的机械功率转换为电能。用于同步发电机的研究中的数值模型可以分为电路模型和场模型，在电力驱动系统中最常用的是电路模型。
在同步电机所有的电路模型分类中，最常用的是正交模型（d-q），它能够实现对各种机器不同运行机制的研究，特别是组装机–调控系统的研究。
同步电机的正交模式（DQ）是基于三相电机在双相上的等效分解，如图1所示。这样的同步系统具体到三相电机分解为纵向轴的d和横向轴的q。
图 1 三相电机转换成等效双向电机
坐标系中同步发电机的电压与位于固定坐标系统的电角度的方程如下：
（1）
（2）
在式中，和是定子和转子的电压相量，和是定子和转子电阻，和是定子和转子的电流相量，和是定子和转子磁通的相量。
为了研究在独立的地方或急救制度下的柴油发电机组的操作，可以使用MATLAB / SIMULINK软件包来建立专门的数值模型。
3.1发电机组在隔离制度的运行
图2建立的数值模型是为了模拟在独立地区的柴油发电机组的运转，在这里我们可以辨别出：发电机机组、用电负载、常开开关I1，和测量模块。
发电机组结构由柴油机内部燃烧发动机模型、同步发电机模型、电压调速系统组成，如图3。模拟发电机组的主要数据如下：额定功率4.5 kVA，额定电压400伏，额定频率50 Hz。
研究柴油发电机组数值模型运行的情况，我们能够在负荷变化的情况下对发电机的响应进行监测。
为了保持数值模型的有效性，我们在突然接阻性负载的情况下模拟设备的瞬态反应。发电机组的初始状态为空载。
这些仿真结果依赖于电压和速度调节系统的能力，以保证发电机输出给定的速度和电压。
起初内燃机的机械功率（单位）很小，因为同步发电机与发动机无负荷运转，如图4a。在接上一个电阻负载后，发动机的机械功率迅速增加，约1.5秒后，达到一个新的稳定运行的状态。
在瞬态响应期间，由于负载的突然连接，机器运转速度（单位）急剧下降，但由于速度调节系统的作用，在很短的时间内（0~ 0.25秒）在规定值达到稳定状态，如图4b。
发电机端子的电压（单位）在一个较短的时间内也表现出了显着的下降，不过由于电压调节系统的作用，在不到0.5秒内就保持稳定，如图4c。
图2 发电机在局域网工作的仿真模型
图3 发电机组电压调速系统仿真模型；
a 发电机组的整体方案； b柴油机调节系统
图4
接入阻性负载后发电机组输出量随时间变化的瞬态过程；
a机械功率；b转子速度；c输出电压
3.2发电机组在紧急状态下的运行
在重要的设备或目标的情况下，电力消费者通常分为重要的消费者和非至关重要的。柴油发电机组备用电源的的装置是电力安全解决方案中的重要部分。柴油发电机组的安装置应该做到这一过程，就是在可能因停电造成的电网故障中保持连接以提供必要的电力供应。在使用风力/太阳能等可再生能源发电的情况下，显然不能满足这样的条件。
在图5中，我们可以找出以下模块：网格（三相400伏，50赫兹，这可以作为可再生能源发电系统的代表），发电机组（4.5千瓦）、三相短路块，特殊负载（2千瓦的电阻），和普通负载（10千瓦的电阻）。
图5 发电机组运行作为应急电源
电阻有额定功率10千瓦和2千瓦两种类型，他们是由电网进行供电。当电网发生三相短路时，断路器的常闭I1和I2切断柴油发电机组供应的大电阻（10千瓦），和常开开关I3连接小电阻（2千瓦）。
三相短路发生在从模拟开始后的第4秒。在时刻4.01秒，I1和I2断路器打开，并在时刻7.01秒时I3断路器关闭以给重要的负载提供功率。如果一个重要的负载不能存在短时间没有电的情况，那么柴油发电机应在待命状态下工作，随时准备连接到负载。此外，如果重要的负载对电压和频率的变化比较敏感，应从电网到柴油发电机组设置一个不安定系统作为为缓冲区。
图6为紧急情况下的模拟系统，在图中我们可以观察到机械功率，转子速度和输出电压（单位）随时间变化的过程。
当短路发生时（从仿真开始4秒后发生），发电机所产生的机械功率从一个小的值开始增加（空载状态）通过调节系统的作用最终稳定在某个值，图6a所示。
输出电压（图6C）展示了一个明显的下降过程，但经过一段时间后，它很快就上升到额定值。这样的电压降可以通过一个适当大小的无间断供电系统阻止。
图6
应急状态下发电机组的量随时间的变化；
- 机械功率；(b) 转子速度；(c) 输出电压
实验结果
纸张上实验分析的目的是记录柴油发电机组在待机状态下突然接上负载后的瞬时响应。
实验配备的柴油发电机组是开普型，额定功率4.5 kVA，额定电压230伏，额定频率50 Hz，配备自动启动。
如图7所示，实验装置包括：柴油发电机组，一台笔记本电脑，数据采集卡，调理电路和传感器，负载电阻，安培表，电压表和开/关断路器。
图7
实验装置，用于调查
使用数据采集卡，我们记录下了在发电机输出端接上电阻负载后发电机产生的输出电流和输出电压随时间变化的过程。
在开始时，柴油发电机组在空载状态下运行，负载电流为零，产生230伏的电压和51.6赫兹的频率。
当在本地电网运行时，柴油发电机组的实验设计有这样一种原则，就是在负载条件下不建议启动。因此，在柴油发电机组启动后，通过作用于开/关断路器，我们关闭了负载电路，此时吸收电流的均方根值达到15.2。分配到电阻负载上的功率为3.35千瓦。 我们可以在图8中观察到瞬时状态的持续时间约为0.13秒。
通过研究图9所示的实验结果，我们可以观察到，发电机端子的电压频率呈现下降趋势，无负载时为51.6赫兹，加上一个发电机额定负载值66%的负载后下降到51.02赫兹（这种类型的设备的特定趋势）。
a)
b)
图8
施加一个电阻负载后负载电流随时间变化的过程；
a) 总体视图 b)详细视图
a)
b)
图9
应用电阻负载后的发电机端电压的时间变化；
a)总体视图；b)详细视图
在图9中我们可以观察到发电机端的电压降低了约70%，但它仅仅发生在一个很短的时间内，然后就在电压调节器的作用下回到了额定值。
结论
本文论述了那些依赖于在可再生能源的基础上提供的电网或混合动力系统的重要消费者在隔离制度和作为备用电能源的情况下使用柴油发电机的具体方法。
本论文通过数值模拟和实验研究对柴油发电机组进行了分析。
用于柴油发电机组的动力机制研究的数值模型是利用Matlab／Simulink软件包开发的。通过数值模拟，我们确定了柴油发电机组在研究和操作方面有用的特征（机械功率，电压，速度）随时间变化的过程。我们还要通过研究电力系统在不同的拓扑结构、电荷水平、负载类型等
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