基于PSCAD柴油发电机仿真实验

基于PSCAD柴油发电机仿真实验摘要：对于柴油发电机，通过燃烧柴油使柴油机工作，其产生的动力以带动发电机工作。本文对异步柴油发电机电路进行了理论分析和实验研究，并用PSCAD软件对相应的电路进行仿真。对进一步的工作提供指导与帮助。关键词：柴油机；异步发电机；PSCAD；仿真1.引言在通信，航空，船舶，军事，工业焊接及工程作业等领域，大量需要柴油发电机作为独立供电系统或移动电源，特别是由于能源紧缺，环境污染日益严重，各个国家都在努力寻找一种环境污染少、利用率高的用能方式，具有能源利用效率高，环境负面影响小，能提高能源供应可靠性和经济效益的分布式电源技术，越来越受到各个国家的重视．分布式电源技术克服了传统集中式大电网供电的许多弱点，成为电能供应不可缺少的补充。异步柴油发电机便是分布式电源的一种。本文采用电力系统专业仿真软件PSCAD，建立了异步柴油发电机模型，该模型可对系统参数的全程变化规律进行仿真，并可将仿真结果以图形方式输出，是该类独立供电系统分析和设计自动化的有效手段。2.异步柴油发电机工作原理异步柴油发电机的基本结构是由柴油机和异步发电机组成，柴油机作为动力带动发电机发电。柴油机的基本结构：柴油机由气缸、活塞、气缸盖、进气门、排气门、活塞销、连杆、曲轴、轴承和飞轮等构件构成。柴油发电机的柴油机一般是单缸或多缸四行程的柴油机，下面介绍单缸四行程柴油机的工作基本原理：柴油机起动是通过人力或其它动力转动柴油机曲轴使活塞在顶部密闭的气缸中作上下往复运动。活塞在运动中完成四个行程：进气行程、压缩行程、燃烧和作功（膨胀）行程及排气行程。当活塞由上向下运动时进气门打开，经空气滤清器过滤的新鲜空气进入气缸完成进气行程。活塞由下向上运动，进排气门都关闭，空气被压缩，温度和压力增高，完成压缩过程。活塞将要到达最顶点时，喷油器把经过滤的燃油以雾状喷入燃烧室中与高温高压的空气混合立即自行着火燃烧，形成的高压推动活塞向下作功，推动曲轴旋转，完成作功行程。作功行程完了后，活塞由下向上移动，排气门打开排气，完成排气行程。每个行程曲轴旋转半圈。经若干工作循环后，柴油机在飞轮的惯性下逐渐加速进入工作。柴油机曲轴旋转便带动发电机转动发电。异步发电机的基本结构：本文采用的鼠笼式异步电机电路如图2-1所示，鼠笼式电机类型为双笼式。电机的运行是可逆的异步电机即可作发电机运行，也可作电动机运行。一台笼型异步电机，当转速高于气隙磁场时，电机输出电功率，处于发电机状态。异步发电机有2种运行方式：与电网并联和单独运行方式。与电网并联运行中，异步发电机向电网吸收无功功率，输出用功功率。单独运行时，异步发电机的转子磁炉必须有一定的剩磁，定子端要并联一个励磁电容器，以提供所需的励磁电流。图2-1异步电机电路图3.派克变换理论与电磁理论派克变换理论：0cos()cos(120)cos(240)sin()sin(120)sin(240)1/21/21/2daqbcUUUUUU（3-1）D轴等效电路：图3-1D轴等效电路D轴简化电路：图3-2D轴简化电路电磁理论：111122223333DqDDDDDDDDDDDUvRiidURiLidtURii（3-2）其中：12322323233MDMDMDDMDMDDDMDDMDMDDMDDDLLLLLLLLLLLLLLLLL（3-3）11123()qQMQQQQLiLiii（3-4）dvdt（3-5）11111122223333DqDDDDDDDDDDDDivRiUdiLRiLUdtiRiU（3-6）11111122223333QdQQQQDQQQQDQQivRiUdiLRiLUdtiRiU（3-7）11qDdQTii（3-8）MECHTTDvdvdtJ（3-9）4.异步柴油发电机模型图4-1异步柴油发电机仿真电路异步柴油发电机仿真电路图如4-1所示。本文中异步柴油机模型工作原理：双笼式鼠龙电机在起始阶段作电动机以驱动内燃机启动，当转速大于同步转速时，内燃机拖动电机旋转，从而电机作发电机使用。在实验中，分别在30s和40s投切100KW的纯阻性负载，在50s投切100KW的纯感性负载，其负载电压曲线如图4-2所示，功率曲线如4-3所示。图4-2负载电压曲线图4-3负载功率曲线投切负载时，发电机侧电流有增大的趋势，其电流响应曲线如图4-4所示。图4-4发电机侧电流曲线由于发电机是恒功率输出，所以当投切负载后，电流上升，而电压有所下降，其电压响应曲线如图4-5所示。图4-5电压变化曲线文中采用速度反馈调节方式来调节投切负载等引起的变化。其速度曲线如图4-6所示。图4-6速度响应曲线在仿真试验中，异步发电机侧并联电容充当励磁电容器，在发电机启步阶段，电容为发电机励磁，在接入负载后电容器与电网一起为发电机和负载提供无功功率。5.结论本文对异步柴油发电机进行建模与仿真。在实验中分别投切不同种类的负载，发现异步发电机带阻性负载的能力高于带感性负载的能力，因此在实际应用中，异步柴油发电机多用于照明和加热负载，而很少带动力负载，由于异步发电机侧必须要并联励磁电容器，故异步柴油发电机几乎不施加容性负载。由于控制手段的限制，在接入负载后该模型中的异步发电机侧电压会有所下降，但由于没有电压调节的环节故电压不可调，但是下降的电压符合标准。参考文献[1]高大中，王泳.笼型异步电动机改作发电机运行[J].平煤职大学报，2004(8)：38-40.[2]石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京：清华大学出版社，2008.2[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2006.5[4]韩利竹，王华.MATLAB电子仿真与应用[M].北京：国防工业出版社，2001[5]濮绍文.三相鼠笼式单绕组多速电动机（第2版）[M].上海：上海科学技术出版社，1999.1[6]史仪凯.异步电机发电原理及其应用（第1版）[M].西安：西北工业大学出版社，1994.12[7]戴文进，张景明.电机设计（第1版）[M].北京：清华大学出版社，2010.6[8]刘永长.内燃机原理（第2版）[M].武昌：华中科技大学，2004.6[9]汤蕴璆，史乃.电机学（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2008.4