摘 要

本文以电力系统仿真软件PSCAD为工具，采用模块化的思想，将柴油发电组分为柴油机及其调速系统和同步发电机及其励磁系统两大模块，分析各模块的数学模型和工作原理。在PSCAD环境下首先对柴油机及其调速系统进行模拟仿真，再对同步发电机及其励磁系统进行模拟仿真，最后将两组模型组合为柴油发电机组的整体系统模型。对柴油发电机组整体模型进行突加和突卸负载试验，以此来实现负载投切控制的仿真，并经过分析系统的各项性能指标，证明了仿真模型的准确性。

论文主要研究了在负载大小发生变化时，柴油发电机组如何实现对转速的控制，以确保机端电压和频率的稳定。

研究结果表明：本文建立的柴油发电机组调速系统能够很好地对控制调节转速，并能确保机端电压与频率的稳定，达到了对负载进行投切控制的要求。

本文的特色：使用了PSCAD软件进行模拟仿真，仿真结果精确可靠；采用的模型都经过了一定的简化处理，既能够保证仿真精度，又不会使仿真过于复杂。

关键词：PSCAD；柴油发电机组；PID闭环控制；突加突卸负载

Abstract

In this thesis, the power system simulation software PSCAD is a tool. With the use of modular thinking, the diesel power generation unit is divided into two modules for analysis of the module mathematical model and working principle. They are diesel engine and its speed control system and synchronous generator and its excitation system. In the PSCAD environment, the diesel engine and its speed control system are simulated first, then the synchronous generator and its excitation system are simulated. Finally, the two sets of models are combined into the overall system model of the diesel generator set. The simulation of load switching control is carried out by carrying out sudden and sudden unloading load test on the whole model of diesel generator set. The rationality of the model is verified by observing the performance of the system.

The thesis mainly studies how to control the speed of the diesel generator set when the load size changes, so as to ensure the stability of the terminal voltage and frequency.

The results show that the speed control system of diesel generator set in this thesis can improve the speed of control and ensure the stability of terminal voltage and frequency, and meet the requirements of switching control of load.

Features of this thesis: Using PSCAD software for simulation, simulation results are accurate and reliable. The model used has been a certain degree of simplification, both to ensure that the simulation accuracy, and will not make the simulation is too complicated

Key Words：PSCAD；Diesel generator sets；PID closed - loop control；Sudden load and unload

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的目的、背景及意义 1

1.2 课题研究的发展动态 2

1.2.1发电机调速器的发展现状 2

1.2.2 发电机调速器仿真系统的研究现状 4

1.3 本文主要研究内容 4

第2章 柴油机发电机组负载投切控制方案设计 6

2.1 设计要求分析 6

2.2 PSCAD仿真软件介绍 6

2.3 系统功能原理分析 7

2.3.1柴油发电机调速系统运行原理 7

2.3.2 PID闭环转速控制原理 9

第3章 柴油机及调速系统建模与分析 13

3.1柴油机数学模型 13

3.2调速系统数学模型 15

3.3 柴油机及其调速系统仿真模型 18

第4章 同步发电机及励磁系统建模与分析 20

4.1 同步发电机数学模型 20

4.2 励磁系统数学模型 24

4.3 同步发电机及励磁系统仿真模型 27

第5章 柴油发电机组仿真分析 30

第6章 总结与展望 33

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1课题研究的目的、背景及意义

柴油发电机组是一种组合发电设备，包括作为原动机的柴油机和用于发电的同步发电机，通过将柴油的内能转换成电能，从而为用电设备提供电功率。由于其体积小巧、灵活轻便、配套设施齐全，便于工作人员操作和维护，所以在各国民部门中广泛用作备用电源或临时电源。随着国民经济的高速发展，国民生产水平也大大提高，国民用电量也大大提升，导致国家电力出现供不应求的局面，因而缺电部门通过自备柴油发电机组来很好地弥补其电力缺口，保证部门的正常运行。而随着市场上柴油发电机组的需求量不断增加，市场对其各项性能指标的要求也越来越高。

由于柴油发电机组应用场合的多样性，负载特性的复杂性，所以对以柴油发电机组为电能提供单位的电力系统的稳定性（尤其是暂态稳定性），提出了特别高的要求，即：电力系统在受到较大扰动后，发电机组能够保持同步运行的正常状态。这种正常运行状态的定义随着扰动的不同而有所不同：如果扰动是短暂性的并且大小不变，则系统能够在扰动消失后恢复并保持扰动出现前的运行状态便可视为正常运行；反之如果是持续性的扰动，则正常运行是指系统能调整至一个新的运行状态并稳定运行。这种要求能够确保电能的生产、传输、消耗三者之间保持着稳定的动态平衡。

当电力系统由柴油发电机组组成时，工况变化和特殊故障都非常可能引起扰动的发生。实际生产运行中，工况变化常为突加或突卸大型负载，而特殊故障主要包括短路故障和励磁故障等，这些扰动都能极大地影响此类电力系统。其中最常见的影响因素就是负载变化，所以要维持柴油发电机组的稳定正常运行，必须对柴油发电机组建立适用的调速系统，使其能够检测实际转速并相应地调节柴油机输出动力的大小，从而保证柴油机和同步发电机的转速在一定的负载变化范围内保持稳定，进而保证同步发电机端电压和输出频率的稳定。