摘 要

柴油发电机组是一种通过燃烧柴油，将内能转换为机械能，带动发电机转动产生电能的一种设备。作为一种重要的发电设备，具有很多独特的优点：操作较为简单；启动较快；投资较少，适用性强等。尽管柴油发电机组有很多优点，但是当负载突变时，柴油发电机组的转速和电能质量仍会受到突变负载的影响。因此，对负载突变情况下柴油发电机组调整特性的分析，以探究哪些参数对柴油发电机组调整特性的影响较大，从而改善柴油发电机组的性能是本文研究的主要目的。

首先，本文对柴油发电机组调速系统的原理进行了分析并建立其数学模型。为了建立柴油发电机组调速系统的数学模型，分别对调速器、油门执行器和柴油发电机进行了原理的研究并建立数学建模。整合这三部分的数学建模从而建立起柴油发电机组调速系统数学模型。

其次，对同步发电机及其励磁系统的数学模型进行了研究。为了对同步发电机及其励磁系统进行数学建模，对其建模要求进行了调研，根据简化模型的要求对同步发电机及其励磁系统进行了数学建模。然后对三、四、五、六绕组的同步发电机进行了比较分析，并对交流无刷励磁系统进行了调研分析。

最后，根据前面的内容，进行了负载突变情况下柴油发电机组调整特性的分析。将理论的计算波形和设计的仿真波形进行对比分析。然后，改变柴油发电机组的某些参数，观察调整特性波形的变化，得出不同参数对柴油发电机组调整特性波形的不同影响的结论。从而调整参数来柴油发电机组的性能。

关键词：柴油发电机；数学模型；突变负载；调整特性

ABSTRACT

A diesel generator is a device that converts internal energy into mechanical energy by burning diesel fuel and drives the generator to generate electrical energy. As an important power generation equipment, it has many unique advantages: its operation is relatively simple, its startup is quicker, its investment is less, and its applicability is strong. Although it has many advantages, when the load suddenly changes, the speed and power quality of the diesel generator set will still be affected. Therefore, the analysis of the characteristics of the diesel generator set under sudden load changes, to explore which parameters have a greater impact on the adjustment characteristics of the diesel generator set to improve the performance of the diesel generator set is the main purpose of this study.

First of all, this paper analyzes the principle of the diesel generator set speed control system and establishes its mathematical model. In order to establish the mathematical model of the diesel generator set speed control system, the principle of the governor, throttle actuator and diesel generator were studied and mathematical modeling was established. Integrate these three parts of the mathematical modeling to establish a diesel generator set speed control system mathematical model.

Second, the mathematical model of synchronous generator and its excitation system is studied. In order to mathematically model the synchronous generator and its excitation system, its modeling requirements were investigated, and the synchronous generator and its excitation system were mathematically modeled according to the requirements of the simplified model. Then the synchronous generators of the three, four, five and six windings were compared and analyzed, and the AC brushless excitation system was investigated and analyzed.

Finally, according to the previous content, the analysis of the adjustment characteristics of the diesel generator set under sudden load changes was carried out. Comparing the theoretical calculation waveform with the designed simulation waveform. Then, some parameters of the diesel generator set were changed, and the changes in the adjustment characteristic waveforms were observed, and the conclusion that different parameters had different effects on the adjustment of the characteristic waveforms of the diesel generator set was obtained. Thereby adjusting the parameters to the performance of the diesel generator set.

Keywords: diesel generator; mathematical model; abrupt load; adjustment characteristic

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 2

1.1 课题选题的背景和意义 2

1.2 柴油发电机组调速系统的发展历程与研究现状 3

1.2.1 柴油发电机组调速器的发展历程 3

1.2.2 国内外柴油发电机组调速器的研究现状 4

1.3 本文主要研究内容和预期目标 4

1.3.1 本文主要研究内容 4

1.3.2 本文预期目标 5

第2章 柴油发电机及其调速系统的数学模型 6

2.1 柴油发电机组调速系统概述 6

2.1.1 柴油发电机组调速系统原理简介 6

2.1.2 柴油发电机组调速系统运行方式 6

2.2 转速调节器的数学模型 7

2.2.1 转速调节器简介 7

2.2.2 PID控制的控制原理说明 8

2.2.3 转速调节器的数学模型 9

2.3 油门执行器的数学模型 10

2.3.1 油门执行器的原理简介 10

2.3.2 油门执行器的数学模型 10

2.4 柴油发动机的数学模型 11

2.4.1 柴油发电机及工作原理的简介 11

2.4.2 柴油发动机的数学模型 12

2.5 本章小结 13

第三章 同步发电机及其励磁系统的数学模型 14

3.1 同步电机的建模要求 14

3.2 可用的模型类型 15

3.2.1 同步发电机及其简化模型介绍 15

3.2.2 三、四、五、六绕组同步发电机数学模型的差异 18

3.3 柴油发电机交流无刷励磁系统的数学模型 21

第四章 柴油发电机组调整特性的分析 24

4.1 柴油发电机组调整特性理论分析 24

4.2 柴油发电机组调整特性仿真波形分析 27

4.2.1 时间常数T₃对仿真波形的影响 28

4.2.1 时间常数T₁对仿真波形的影响 29

4.2.2 时间常数T₄、T₅、T_d对仿真波形的影响 31

4.2.3 比例系数K对仿真波形的影响 33

4.3 本章小结 34

第五章 总结与展望 36

5.1 总结 36

5.2 展望 37

参考文献 38

致谢 39

第1章 绪论

1.1 课题选题的背景和意义

如今，二十一世纪的中国处在飞速发展时期，2017年电力市场化交易电量累计1.63万亿千瓦时,同比增长45%。由此可见，当今中国的发展离不开用电，从某种意义来说，耗电量与国家的发展水平成正比关系。由此，人们对电能的利用率就显得十分重要。当今社会，人们主要的电能来源还是依靠电网，庞大的电网为我们的生活和工作提供了便捷。但是，仍有一些特殊情况下，电网的电无法及时为我们所用，如：电力网络突然发生故障导致停电或在炎炎夏日用电紧张的时期电网会拉闸限电；某些单位需要在野外电网供应不到的地方工作，而工作的人们生活和工作需要用电等等情况下。这时，独立式发电设备便显得十分重要，它可以为我们的生活和工作带来便利。独立式发电设备中，柴油发电机组被广泛应用于通讯、采矿、筑路、林区、农田灌溉、野外施工和国防工程等各部门。作为一种重要的供电来源，柴油发电机组具有诸多优点，如：迅速启动、便于维修、适应性强、经济等。由于具有种种优点，柴油发电机组在市场的占比逐步上升，在当今社会得到越来越广泛的应用^[1]。

从柴油发电机组结构上来看，柴油发电机组由电气环节和机械环节这两部分组成。那么对柴油发电机组的分析可以从这两部分考虑：以同步发电机为主的电气环节；以柴油发电机及其调速系统为主的机械环节。电气环节由于通过电磁进行调节，故响应速度较快，问题也较少；但以机械环节为主的柴油发电机响应就会慢很多，也更容易出问题^[2-3]。在柴油发电机组的机械环节中往往会出现如下问题：

当柴油发电机在运行过程中突加一个较大负载时，柴油发电机的输出转矩不能迅速平衡电磁转矩，其励磁电流和转速会出现突变，引起柴油发电机输出电压的变化。当变化过大时，可能会导致飞车或停止运转等故障。

由于柴油发电机组有如上缺陷，为了保证柴油发电机组的正常运行，应该对负载突变情况下柴油发电机组调整特性进行分析，探究影响柴油发电机组调整特性的因素，从而改善柴油发电站组的性能。

本文为了解决上述问题，通过探究柴油发电机组的工作原理、建立起柴油发电机组的数学模型，对负载突变情况下柴油发电机组调整特性的分析。根据MATLAB的设计仿真，与计算波形进行对比，并通过改变参数观察哪些参数对柴油发电机组调整特性影响较大。调整影响柴油发电机组稳定性的参数，从而改善柴油发电机组的性能。

1.2 柴油发电机组调速系统的发展历程与研究现状

1.2.1 柴油发电机组调速器的发展历程

在柴油发电机组中，转速调速系统在其中占据十分重要的地位，而调速器是转速调速系统中的主要部件。调速器可分为机械调速器、液压调速器和电子调速器，这三种调速器也代表了调速器发展的三大阶段：

在二十世纪四十年代，调速器主要是机械-液压式调速器，但由于这种调速器完全是有机械元件构成，所以在精准程度方面和调节速度方面都不是很理想。如图1.1就是一个机械-液压式调速器。

到六十年代，随着电力电子技术的发展，模拟电路得以发展并得到了广泛的应用，调速器出现了以模拟电路制成的模拟电子电路-液压调速器，这种调速器大大提高了柴油发电机组的性能，同时PID控制得以应用使得控制性能得以提高。但是模拟电路本身可靠性较差，所以这种调速器也有自身的缺点。

到了二十世纪八十年代，模拟电子技术由于自身可靠性差，容易造成信号的失真，开始出现数字电子技术，这种技术的出现使得电力电子技术加入飞速发展时期。数字电子技术的出现使得调速器依靠软件实现控制，大大降低了无功负载和一些电子元件的使用，使得电子调速器的性能得以改善，可输出更为稳定的电能，改善电能质量。如图1.2就是一种数字式调速器。

图1.1 机械-液压式调速器 图1.2 数字式电子调速器

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