摘 要

本文主要研究通过数学软件MATLAB来对柴油发电机组进行建模的方法，并对所建造出来的模型仿真进行简单实验和分析。

首先本文先介绍了柴油发电机组的整体结构、运行方式和工作原理。然后对其调速系统的三个部分（转速调节器、油门执行器和柴油发动机）的工作原理进行分析，从而可以建立起数学模型。

接着，我们要研究的是同步发电机及其励磁系统的数学模型。在建立起模型前还介绍了简化同步发电机的原理和方法，如理想同步电机的理想条件和dq轴坐标变换等。然后在基于同步电机的双反应理论为基础讨论各种绕组下的同步发电机该怎么建立数学模型。另外我们还讨论了一种无刷励磁同步机的励磁原理和相应的数学模型。

最后我们由得到的数学模型在MATLAB中运用Stimulink搭建仿真模型，并设置一定时间后的负载突变，简单地分析柴油发电机组的调整特性。

关键词：柴油发电机；MATLAB；同步发电机

Abstract

This article mainly studies the method of modeling the diesel generating set through the mathematical software MATLAB, and carries on the simple experiment and the analysis to the built model simulation.

First of all, this paper first introduces the overall structure, operation mode and working principle of a diesel generator set. The working principle of the three parts of the speed control system (speed regulator, throttle actuator and diesel engine) is then analyzed to establish a mathematical model.

Next, we want to study the mathematical model of the synchronous generator and its excitation system. Before the model was established, the principle and method of simplifying the synchronous generator were also introduced, such as the ideal condition of the ideal synchronous motor and the dq axis coordinate transformation. Then based on the double-reaction theory based on synchronous motors, it is discussed how to establish a mathematical model for synchronous generators under various windings. In addition, we also discuss the excitation principle and corresponding mathematical model of a brushless excitation synchronous machine.

Finally, we use Stimulink to build the simulation model from the obtained mathematical model in MATLAB, and set the load mutation after a certain time to simply analyze the adjustment characteristics of the diesel generator set.

Keywords: diesel generator; MATLAB; synchronous generator

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的和意义 1

1.2 柴油发电机研究技术现状 1

1.2.1 柴油发电机仿真研究现状 1

1.2.2 柴油发电机的仿真技术 2

1.3 本文主要研究内容 2

第2章 柴油发电机调速系统的数学模型及建模 3

2.1 柴油发电机组的特点及工作原理 3

2.2 调速系统的数学模型及其建模 4

2.2.1 转速调节器的数学模型 4

2.2.2 油门执行器的数学模型 6

2.2.3 柴油发动机的数学模型 7

第3章 同步发电机及其励磁系统的建模 9

3.1 同步发电机的简化数学模型 9

3.1.1 理想的同步电机 9

3.1.2 d、q、0坐标系的同步电机方程 9

3.1.3 简化后的发电机数学模型 11

3.2 各种绕组下同步发电机的数学模型 12

3.2.1 凸极同步发电机的双反应理论 13

3.2.2 直轴模型结构 13

3.2.3 正交轴模型结构 16

3.2.4 各种绕组下的模型 17

3.3 交流无刷励磁系统 18

3.3.1 励磁工作原理 19

3.3.2 无刷励磁同步机的优点 19

3.3.3 励磁系统的数学模型 20

第4章 柴油发电机组工作特性分析 22

4.1 柴油发电机组仿真模型 22

4.1.1 调速系统的MATLAB建模 22

4.1.2 同步发电机的MATLAB建模 22

4.1.3 励磁系统的MATLAB建模 24

4.2 同步发电机的调整特性 25

4.3 对于负载突变的分析 25

第5章 总结 27

参考文献 28

致 谢 29

绪论

研究的目的和意义

本次毕业毕业设计的主要目的是对柴油发动机及其调速系统的数学模型（包括转速调节器、油门执行器和柴油发动机三部分）的数学模型进行了研究和分析，并建立MATLAB模型。最后对建立的MATLAB模型进行分析。

柴油发电机是一种最常见的小型发电设备之一，通常是指以柴油发电机为原动力、柴油味燃料带动发电机发电的一种动力机械。一个完整的柴油发电机机组一般由柴油机、发电机、控制箱、起动和起着控制作用的蓄电瓶、保护装置等部分组成。柴油发电机能够为用电设备提供的电功率高达上千瓦到上兆瓦。柴油机的转动会给发电机提供机械能，这样就能达到发电的目的。

人们对电能利用量的不断提高以及利用形式多种多样化的标志性现象表现了现今生活现代化水平的不断上升。在通信、电力、石油、石化、交通等生活中必不可少的重要部门中，应急电源是保证供电连续性不可缺少的。柴油发电机容量大、对不同环境都有一定适应能力、持续供电时间长，体积更便携，这一系列的优点都能使柴油发电机进入独立式供电系统和应急备用供电系统。TI及电子信息等行业在新世纪以来就发展迅速，日新月异，近年以来层出不穷的通讯基站以及数据中心的建造规模越来越大，作为这些地方普遍需要的备用应急电源，柴油发电机组的需求量也就不可避免地与日俱增，同时也保证了数据中心的稳定性和通讯的可靠性。随着新能源技术在全球各个国家内的推广，诸如光伏发电、风能发电等新兴能源发电项目也逐渐走入人们的视野，受到学术界的青睐。然而由于风能、太阳能等一次能源的明显随机性、间歇性和不稳定性。在目前的受于限制的技术条件下，柴油发电机组就毫无疑问成为了保障能源以提高新能源发电的供电质量的首选。

可见，研究柴油发电机的数学模型和仿真模型有着重大意义。本文研究了一种简易的柴油发电机组建模的方法，并对它在负载突变时的调整特性进行了研究。

柴油发电机研究技术现状

柴油发电机仿真研究现状

柴油发电机的结构复杂，而且容易受到多种因素的影响，并且它的结构呈非线性，因此目前柴油发电机精确的数学模型还尚未被普及。所以现阶段调速器采用控制算法都对控制对象的要求不高，如PID算法。随着控制理论的不断发展，许多先进的智能控制理论,如模糊控制、自适应控制以及神经网络控制等,都被逐步应用到柴油机速度控制系统中来。1993年，詹姆希迪和马丁尼兹在发动机控制系统中引入模糊控制技术，通过仿真来检测该控制技术下的发动机的稳定性和动态性能，结果也证明了这种方法比PID控制更加精确真实。然而目前例如模糊控制技术的智能控制理论发展还没有完全成熟，只处于理论阶段，因此实用在柴油机调速系统上的可行性并不高，而且智能控制算法对控制系统硬件的较高要求，这也极大地限制了它在工业中的广泛应用和普及。所以说，目前基于先进的控制理论的柴油机调速系统打多数处于实验室研究和仿真阶段^[1-2]。

柴油发电机的仿真技术

在柴油发电机系统中，柴油发电机及器调速系统是整个发电系统的最核心，它向发电机提供原动力的方式是通过燃烧柴油。电机通过负荷波动调节转速偏差信号从而调节喷油量输出不同转矩，确保柴油燃烧及整个发电系统处于不断调节平衡的恒速运行工况。由此可知，柴油机及调速系统的仿真数学模型的输入为喷油量。

在柴油发电机的数学模型建立过程中，磁链方程中很多电感系数随着转子角而呈现周期性的变化，而转子角又是关于时间的函数，所以部分的互感系数和自感系数也随时间而呈现出周期性变化。为如果把磁链方程代入电势方程，那么电势方程组也会成为以时间为变化的周期函数的微分方程。而这种方程要求解甚至建立起模型是十分困难的。所以了精确模拟仿真柴油发电机组的模型，在本文中采用dq0坐标系统进行分析。选择Matlab/Simulink中，基于dq0坐标系的发电机仿真模型来建立完整的仿真系统。

MATLAB软件提供了一个系统软件仿真工具箱叫作Simulink。Simulink主要由五个功能模块组成：模块库、模型构造、指令分析以及演示程序。它是一个及模块化和模型化的系统动态仿真环境的软件。它既保留了原先编程方式的优点，又克服了其缺点，用户在使用时只需要从模块库中拖放所需要的模快连接在一起就可以实现系统的仿真，方便容易上手。Simulink十分贴合电气研究方向，可以对连续、离散或者混合系统进行深入系统建模、仿真和分析研究。Matlab还提供了基于Simulink环境的电力系统模块，可以专门用于电力电子与电气传动系统仿真。对于实现柴油发电机组建模是一个十分优秀的工具。

本文主要研究内容

首先我们要调研分析柴油发电机和它的调速系统的数学模型，而调速系统可以细分为转速调节器、油门执行器和柴油发电机三个部分；然后需要调研三绕组、四绕组、五绕组和六绕组下的同步发电机的数学模型，并调研分析柴油发电机交流无刷励磁系统的数学模型；最后，我们根据讨论分析结果建立MATLAB仿真模型，分析负载突变情况下的柴油发电机组的调整特性。

柴油发电机调速系统的数学模型及建模

柴油发电机组的特点及工作原理

柴油发电机组是由柴油发动机及其调速系统、同步发电机和励磁系统组成。在这几个部分中，柴油发动机作为原动机为同步发电机提供动力转矩；而同步发电机由转速反馈和柴油机的调速系统组成转速闭环；最后励磁系统通过同步发电机反馈的端电压形成电压闭环为同步发电机提供励磁电压。

图2.1 柴油发电机组外形图

柴油发电机具有起动迅速，能很快地达到全功率运行状态，负荷适应能力强等特点，它的特效率高，运行费用低；操作简单，易于实现自动化，震动、噪声等可以实现有效的控制，可靠性比较高。由于有了这些特点，柴油发电机可以应用于医疗、通信、军事等重要场合，能达到不停电或者在断电后的几秒内迅速恢复供电。除此之外，可以作为通讯、照明用的交流电源，适合用于需要独立供电系统的工地，部队以及大电网无法输送到的林区；还可以企业单位的备用电源等等。

柴油发电机依靠的是燃烧柴油所释放的能量释放出热能推动活塞来做功，因而实现了热能到机械能的转换。往复式柴油机工作时，气缸中的活塞做上下往复的运动，空气讲过滤清器过滤之后进入气缸，此时气体体积减小，温度迅速升高到柴油燃点，被点燃的混合气剧烈地燃烧，于是，体积急速膨胀，推动者活塞下行做功。柴油发动机内有多个气缸，各个气缸按一定的顺序做功，作用在活塞上的推动力由曲柄连杆机转变成推动曲轴转动的力量，进而带动曲轴旋转发电。

图2.2 柴油发电机组结构图

调速系统的数学模型及其建模

柴油发电机调速系统的作用是通过执行机构改变油量调节器的机构位置，从而改变柴油发电机的循环控油量，保持柴油发电机以恒定的转速运行，从而使发电机输出频率稳定的交流电。

图2.3 柴油发电机组及其调速系统结构图

柴油机的调速原理为：先通过转速传感器采集柴油机组实时的转速值，与给定的转速进行对比，通过由此算出的偏差值作为转速调机器的输入值，经过计算分析后，转速传感器的输出值作为油门控制器的输入值，进而控制其喷油量的大小。当负荷增加时，阻力距增大，会导致转速下降，实现减速增油调节动作；当负荷减小时，随之对应的，阻力矩增大，转速会上升，从而实现增速减油调节动作；当负荷不变时，阻力矩与主力距保持平衡，因此供油会保持平衡^[3]。

转速调节器的数学模型

转速调节器主要包括转速传感器和速度控制处理器这两个部分，其中的转速传感器多数采用直流测速发电机，其测得与发动机转速成正比的电压信号，而控制器多采用传统的PID控制算法。

直流测速发电机按励磁方式可以分为电磁式和永磁式。永磁式直流测速发电机的定子由永久磁钢制作而成，而且并不需要有励磁绕组，它具有简便、结构简单、温度对磁场的影响小等等优点。直流测速发电机的原理、结构和一般小型的直流发电机一致，但直流测速发电机一般情况下不对外输出功率或者输出的功率可以低到忽略不计^[4]。在恒定的磁场中，当发电机的电枢以转速n切割磁通时，电刷的两端会产生感应电动势，其表达式为：

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