基于 Matlab／Simulink 的微型燃气轮机动态仿真研究

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基于Simulink的燃气轮机动态仿真模型

段及燃烧室内的气体容
积惯性、高压涡轮后容
积惯性和动力涡轮后的
容积惯性。
3.2 转子动力学模块
在忽略发动机转子的功率提取及机械损失
图 5 压气机特性图插值模块
情况下，压气机和涡轮转子的动力 3.4 其他模块
学方程为
为简化计算，忽略了燃烧室
dω dt
=1 J·ω
(Pt - Pc )，
ω＝
2πn 60
=
为了验证本文所建模型的动态计算特性，将该模型的计算结果同实际试车数据进行了对比。图 7 为试验得到的燃油流量随时间的变化曲线，将上述燃油流量变化关系输入该计算模型，其计算结果与试验数据的对比如图 8～11 所示。
图 8 核心机转速随时间变化关系
图 9 排气温度随时间变化关系
图 11 压气机压比随时间变化关系
5 结论
（1）通过引入“ 容腔 ”的气容效应方程使部件级模型的非线性方程组自我闭合，而无须采用迭代解法；在 Matlab/Smulink 仿真环境下，建立了燃气轮机各部件模型；由各已封装的部件模型构成了燃气轮机专业模型库，按照一定的方式，可以建立其它形式的燃气轮机模型，具有良好的通用性和扩展性。
πn 30
（2）
! " dn
dt
=
1
J·n·
πn 30
2 (Pt -Pc )
（3）
式中：ω 为转子的角速度；J 为转
内热惯性，燃烧室模块按常规方法计算。此外，对模型还需要进行进气道、尾喷管和大气条件等计算模块以及负载耗功的计算，在此不作阐述。 3.5 求解过程
计算时，先输入模型的初始
（d）试样 2 断裂前缺口形态

基于SIMULINK的气垫船三轴燃气轮机的动态仿真

基于SI MULINK 的气垫船三轴燃气轮机的动态仿真史霖鑫,臧述升(上海交通大学叶轮机械研究所,上海　200030)摘　要:以气垫船用三轴燃气轮机为仿真对象,建立高低压轴及动力输出轴的转动微分方程。

采用以非稳态工况为小偏差线性化起点的方法进行微分方程的求解,每一步都是以前一步达到的非稳态工况为起始零点,不断变换所有微分方程中的偏微分系数。

按照上述方法进行SI M U LI NK 建模仿真,分析了在气垫船行使过程中,当变距螺旋桨螺距角变化时高低压轴和动力输出轴转速的响应情况。

关　键　词:;气垫船;动态仿真中图分类号:TK 472,O24211 文献标识码:A 文章编号:1009-2889(2006)03-0037-03 由于气垫船对动力装置的特殊要求,轻型燃气轮机应用于气垫船主动力装置伴随着气垫船的诞生而出现。

早在上世纪60年代,英国第一代实用型全垫升气垫船SRN5就采用一台“地神”燃气轮机为主机。

目前,国外较先进的气垫船尤其是全垫升气垫船几乎都采用燃气轮机为主机。

例如美国LC AC 采用四台TF -40B 型燃气轮机作为主机;英国BH -7装有4台“海神”(Proteus )船用燃气轮机。

直到上世纪80年代,我国还没有实用的船用燃气轮机。

1989年,我国首次在自行研制的31M 大型海上气垫船上采用国产409船用燃气轮机作为动力装置主机,这是我国高性能船舶动力装置研究的一项重大突破。

但是目前我国船用燃气轮机的研究还处于起步阶段。

本文借鉴了国内一些燃气轮机动态性能研究的方法,应用SI M U LI NK 仿真软件进行气垫船三轴燃气轮机推进系统的动态特性仿真,为进一步进行气垫船推进系统的控制以及气垫船本体的动态特性研究提供了一定的基础。

1　气垫船三轴燃气轮机推进系统数学模型图1是本文所研究的动力装置系统的物理模型。

动态问题多数都是研究惯性系统在外力和外力矩作用下的运动。

燃气轮机作为一个复杂的惯性系统,系统中有转动惯性、容积惯性和热惯性。

燃气轮机动态仿真容积效应法研究

燃气轮机动态仿真容积效应法研究梁超;吴新跃【摘要】针对燃气轮机动态建模容积效应法运用过程中,使用真实体积运算时计算结果振荡较大,无法对燃气轮机动态过程进行实时有效的运算的问题,对容积效应法的原理进行分析,提出了采用虚拟容积计算方法计算容积大小.采用面对对象的模块化建模方法,基于Matlab/Simulink平台,运用容积效应法建立了燃气轮机动态仿真模型,解决了在常规建模时迭代次数太多的问题.分别计算了在相同工况变化条件下,采用真实容积和虚拟容积方法建立的两种模型的仿真结果.研究结果表明,采用虚拟容积的仿真模型更稳定,并且计算结果更准确.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2013(030)010【总页数】4页(P1277-1279,1292)【关键词】容积效应法;燃气轮机;动态建模;Simulink【作者】梁超;吴新跃【作者单位】海军工程大学动力工程学院,湖北武汉430033;海军工程大学动力工程学院,湖北武汉430033【正文语种】中文【中图分类】TK47;TP391.90 引言利用数学模型代替真实燃气轮机作为被控对象进行性能研究，是具有一定准确性且经济性好的方法。

在对燃气轮机进行仿真时，文献[1-5]都采用模块化建模方法进行仿真。

在对燃气轮机进行稳态分析计算时一般都采用流量法进行计算[6-7]，通过对每个模块的输入输出流量平衡和转子产生和消耗功率的平衡建立非线性方程组，需要用牛顿-拉弗逊（N-R）等迭代算法求解。

在进行动态分析时，因为迭代算法需要反复进行迭代计算，为了提高实时性，采用容积效应法建立容积模块消除计算时的迭代过程，即可以缩短计算时间，又能保证模型的计算精度。

本研究通过对容积效应法原理进行分析，提出运用容积效应法时更合理的容积大小的计算方法。

1 容积模块的建立在对三轴燃气轮机动态建模中，主要解决低高压气机之间，高压压气机与燃烧室之间，高、低压涡轮间，低压与动力涡轮间4 个管道间的流量不平衡问题，故在这4 个模块间加入容积模块，通过对容积模块的计算，实现整个系统的流量平衡，模型示意图如图1 所示。

基于MATLAB的微型燃气轮机建模与仿真研究

笔者借鉴以往燃气轮机分模块建模经验78*，基于MATLAB软件中GUI程序设计平台，在气体变比热容条件下建立了包括微型燃气轮机进气管、压气机、换热器、燃烧室、透平、发电机等部件和性能参数换算模块的整体模型，计算得到了不同环境温度和海拔高度条件下发电效率和发电量，并且绘制了转速特性曲线&将仿真结果与C30微型燃气轮机的标准数据进行了对比，验证了模型的准确性，并对试验燃气轮机的性能进行了评估&
Zhong Yafei1，Yan Weidong2 (1. School of Energy and Power Engineering，Beihang University，B)jing 100191, China；
2. Beijing Whitt Excellent Technology Development Co., Ltd., Beijing 100081, China)
Keywords: micro gas turbine； MATLAB； parameter conversion； integral model
随着人类社会对能源的需求越来越高，传统能源逐渐枯竭，环境污染问题日益严重，社会经济可持续发展目标受到了严峻挑战 &为了解决当前的能源危机，须要不断发展新型、高效、清洁的能源技术，智能电网、分布式能源的概念应运而生。微型燃气轮机作为新能源技术的核心设备，其技术的成熟对推动智能电网、分布式能源的发展起着至关重要的作用&除此之外，由于微型燃气轮机具备高效、安全、灵活、环保等优点，在交通以及国防建设等方面均具有很好的发展前景和应用价值&
摘要：利用MATLAB软件中GUI程序，建立了包括微型燃气轮机进气管、压气机、换热器、燃烧室、透

基于MATLAB的微型燃气轮机发电系统的建模与仿真

独立运行和并网模式下微型燃气轮机的建模与性能分析Modeling and Performance Analysis of Microturbine in Independent Operation and Grid -Connection ModeABSTRACT:The microturbine generation system will be the most widely used distributed generation in the near future. According to the dynamic characteristics of the Microturbine system, a mathematic model which treats the Microturbine and its electric system as a whole is built. Further researches on the basic control of the Microturbine system are presented. The dynamic characteristics of the Micro gas turbine system are emphasized, especially the characteristics of the load disturbance. Simulation results demonstrate the model is coordinate to the real Microturbine system. The general purpose of this project is for further researching thermodynamic engine control of the Microturbine and giving the basic resources to corresponding control of inverter control of generator electric side.KEY WORDS：distributed generation; microturbine; modeling; simulation; PWM摘要：微型燃气轮机发电系统是一种具有广泛应用前景的分布式发电系统。

基于MATLABSimulink机电系统动态仿真教程第6章

roots()、 pzmap()
已知开环传函
对系统闭环稳定性判别
[n1,d1]=zp2tf(z,p,k) n1 = 0 d1 =
1 P= 1 21 120 200
100( s 2) G( s) s( s 1)(s 20)
>> roots(P) ans = -12.8990 -5.0000 -3.1010
1+K*(num/den)=0
r=复根向量 K=增益向量
[r,K]=rlocus(num,den)
1. step():

计算系统对单位阶跃输入的响应
y=step(num,den) step(num,den) [y,t,x]=step(num,den,t)
[y,t,x] = step(num,den,t)
y(t)=时间输出响应 x(t)=时间状态响应 the state trajectory x t=仿真时间
例6-4 已知单位负反馈系统为
k G( s) s( 0.5s 1)( 4s 1)
绘制当K分别为1.4,2.3,3.5时的单位阶跃响应曲线(绘在同一张图上), 并求出k=1.4时的性能指标
m63.m
6.3 系统时域响应的解析解算法

部分分式展开方法

传递函数G(s)含有n个互异极点，可展开为部分分式： r1 r2 rn G( s) s p1 s p2 s pn 将其Laplace逆变换，得输出：
[y,t,x]=impulse(num,den,t)
y(t)=时间输出响应 x(t)=时间状态响应 t=仿真时间 G(s)=num/den
响应时间
例6-2 分析系统的脉冲响应

基于Matlab／Simulink的低功率汽轮发电机组系统仿真研究

ＳｉｕｌｔｏｆＬｏｐｗｅｍａｉｎｏｗ－ｏｒＴｕｒ・ｅｅａｏｔｂｏｇｎｒｔｒＳｅＢａｅｎＭａｌｂｉｕｌｓｄｏｔａ／Ｓｍｉｎｋ
ＦａｇＷｅ－ｎＸｕＪａＨｕｎｕ－ｕｎｉ－ｇｍｉｉｎａｇＧｏｈａ－
ｏｆａｌｅｏｏｄｅｓｒａｄｔｑａｉｓａｌｔｔｈｒｃｅｉｔｃｆｌｗ－ｏｒｔｂ－ｅｅａｏｅｆ．ｆｉｕｒｆｃｎｎｅｎｈｅｕｓ．ｔｂｅｓａｅｃａａｔｒｓｉｓｏｏｐｗｅｕｒｏｇｎｒｔｒｓｔｗｈｎｔｅｓｅｍａａｔｒｕｓｄｈｎｅ．Ｔｈａｃｌｔｏｅｕｔｈｗｔａｈｅｃｎｌｓｏｐｒａｅｈｔａｐｒｍｅｅｓｏｔｉｅｃａｇｄｅｃｌｕａｉｎｒｓｌｓｓｏｈｔｔｏｃｕｉｎａｐｏ－
ｏｈｉｇｅｄｍｅｉｎａｄｌｍｐｐｒｍｅｅ，ｔｅｓｅｍｕｂｉｅｍｏｅ，ｃｎｅｓｒｍｏｅ，ｗａｅｎｆｔｅｓｎｌｉｎｓｏｎｕａａｔｒｈｔａｔｒｎｄｌｏｄｎｅｄｌｔｒａｄｓｅｍａｃｌｔｏｄｌａｅｓｔｕｔａｃｌｕａｉｎｍｏｅｒｅｐ．Ｔｈｉｌｔｎｍｏｅｓｅｔｂｉｈｄｂｓｄｏａｌｂ０ｉ－ｅｓｍｕａｉｄｌｉｓａｌｓｅａｅｎＭｔａ７．／Ｓｍｕｏ
作，热力系统的定量化设计提供分析手段。为

基于Matlab_Simulink的下垂控制微电网动态特性的仿真与分析

微电网是一个具有高可靠性、高灵活性的单一可控的电网[1，2]。

微电网可以接入各种类型的分布式电源（Distribute d Generation ，DG ）和负荷，DG 可以是微型燃气轮机、柴油机、燃料电池、蓄电池等可控发电单元，也可以是风力发电、太阳能发电等具有随机性、间歇性的新能源发电单元，还可以是热电联供、冷热电联供等发电形式；负荷可以是电负荷包括敏感负荷、可控负荷、不可控负荷，也可以是热负荷或冷负荷。

微电网可以针对不同的DG 采取不同的控制策略，为不同重要等级的电负荷提供不同电能质量的电能[1-5]。

新能源DG 的输出功率由自然环境决定，难以与负荷功率实时匹配，因此微电网中需要安装可控发电单元，不间断的为负荷提供电能[6，7]。

可控DG 是否能够快速响应并良好地分配不平衡功率，成为了微电网稳定运行的关键[8]。

国内外对于可控DG 运行控制的策略研究可以分为：主从控制、集中控制、分层控制、平均负荷功率分配控制、下垂控制等[6-10]。

下垂控制模拟传统发电机与系统频率、无功功率与端电压之间的关系对DG 逆变器进行控制，下垂控制对通信系统的依赖小、可靠性高，易于实现DG 和负荷的即插即用和微电网运行模式的无缝切换，得到了国内外的广泛关注[6-7，10]。

本文从DG 逆变器下垂控制的实现方式出发，介绍了论文采用的实现方式，理论分析了DG 逆变器设置参数的调节作用。

然后，运用Ma ta lb/S im ulink ，搭建一微电网仿真模型，分析了负荷并网和DG 切除对微电网动态特性的影响，并讨论了逆变器设置参数对微电网动态特性的影响。

1下垂控制的理论基础下垂控制有两种实现方法[7，10]：一种是根据测量系统的频率和逆变器输出电压幅值产生逆变器的参考频率和参考电压；一种是根据逆变器输出的有功功率和无功功率产生逆变器输出电压频率和幅值的参考值。

本文采用后者，逆变器输出有功功率、无功功率与输出频率和端电压之间的关系可以表示为：ω=ωn -m p P .（1）V=V n -n q Q .（2）式中：V 是逆变器端口电压的幅值；ω是逆变器输出电压的角频率；V n 、ωn 分别是DG 逆变器空载运行时的端电压的幅值和角频率；m p 、n q 分别是P -ω和Q -V 的下垂系数。

基于Simulink的单轴重型燃气轮机动态仿真模型

ＳｈｉＹｕｈｅｎｇ
（ＢｅｉｊｉｎｇＨｕａｔｓｉｎｇＧａｓＴｕｒｂｉｎｅ＆ＩＧＣＣＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）
ｐｕｒｐｏｓｅｓ，ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｔａｋｅｓｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｐｅｃｉｆｉｃｈｅａｔｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｒｍａｌｉｎｅｒｔｉａｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｔｈｅＧＴｆｌｏｗｐａｓｓａｇｅ，ｅｘｃｅｐｔｔｈｅｖｏｌｕｍｅｉｎｅｒｔｉａａｎｄｒｏｔａｔｉｏｎａｌｉｎｅｒｔｉａ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｃａｎｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｄｙｎａｍｉｃ
重型发电用燃气轮机（简称燃机）是联合循
环电站的核心设备，研究整个机组的动态性能，
虑了不同稳态工况点时系数不相等的情况下建
立的，故可适用于Ｔ况变动较大的动态过程。而
对机组的设计、运行和控制系统分析具有非常实际的意义。只有充分了解其动态性能（如加速、减速、甩负荷等），才能设计出合理的控制系统，使燃机安全可靠地Ｔ作，而利用计算机仿真技术

基于Matlab_Simulink的微型燃气轮机动态仿真研究_严志远向文国张士杰

第 27 卷第 1 期 2014 年 3 月
《燃气轮机技术》 GAS TUＲBINE TECHNOLOGY
Vol. 27 No. 1 Mar．， 2014
基于 Matlab / Simulink 的微型燃气轮机动态仿真研究
1 1 2 2 向文国，张士杰，肖云汉严志远，
（ 1．东南大学 2．中国科学院
n ［5 ］折合转速之间的关系：比 βC 、 θ 槡 ga 槡 θ n n = f1 β C ，，（ 4） η is， C = f2 β C ， δ θ θ 槡槡 P in T in δ= 分别为压气机入口空气的式中： θ = ， T0 P0 温度和压力与设计工况环境参数之比。在燃气轮机的动态仿真过程中，转速为状态变量，压气机和容积
(
)
(
)
d（ m cc u cc ） dt g g， out h g， out
= g a，－ in h a， in + g f （ h f + η cc LHV ）（ 8）
式中： m cc 和 u cc 分别为燃烧室中烟气质量和单 h f 和 h g，位质量烟气的内能； h a， in 、 out 分别为燃烧室入口空气、燃料和出口烟气的焓值； LHV 为燃料净比
( )
式中： M k 为该组分的摩尔质量。假定空气为 O2 （ 21% ）和 N2 （ 79% ）的混合物，使用 CH4 作燃料，且在燃烧室中完全燃烧，则空气和烟气的定压比热容分别为： c p， a = 0. 21 · c p， O2 + 0. 79 · c p， N2 （ 2） 36 1 c + 44 · c 64 c p， · α－ · g = p， a p， CO2 + 16 16 16 0. 21 64 0. 79 c c p，（ 3） · H2 O + p， N2 16 0. 21

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收稿日期：２０１３— ０５— ２１改稿日期：２０１３ —０６— ２７
作者简介：严志远（１９８９一），男，山东济宁人，硕士生，研究方向为微型燃气轮机建模与控制，Ｅ — ｍａｉｌ：ｙｚｙ８９９２３＠
要：基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ平台，在建立压气机、燃烧室、透平、转子等部件模型的基础之上，建立了微型燃
气轮机动态模型及速度控制系统模型，并对动态模型进行了阶跃升负荷和甩负荷的仿真研究。仿真结果表明，动态模型能够有效地对变负荷过程进行模拟，为微型燃气轮机控制系统设计与分析提供了模型基础；速度控制系统模型能够满足转速调节的要求，并具有较好的稳定性。分析了燃烧室烟气热惯性对微型燃气轮机动态性能的影响，指出对该型燃气轮机可以忽略烟气热惯性的影响。关键词：微型燃气轮机；动态模型；动态响应；热惯性
Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中搭建的仿真模型见图２。
１．１气体热力性质
变负荷过程中，燃气轮机气体温度和空燃比会有较大范围的变化，致使空气和烟气的比热容也随之变化。为确保模型的精确性，考虑了温度和组分
ｇａｃ
（５）
（６）
ｃ
＝
（【一。６４・ｏｌｌ￣）ｃ。＋４４・ｃ，ＣＯ＋。蔫・
ｆ３）
Ｃｐ
，
Ｈ２０＋
（６４・０．７９）ｃｐｌＮ：
式中：后ａ为空气的绝热指数。
（１）
惯性模块相连，其出口压力也为状态变量，所以，可通过二维查询表函数模块线性插值得到折合流量和
等熵效率。压气机出口温度、耗功Ｐ由式（５）、式（６）决定：
式中：Ｍ为该组分的摩尔质量。假定空气为
的转动惯量，对控制系统的要求较高Ｊ，致使其难以控制，这也限制了这些经验的使用范围。动态性能的研究是控制系统设计优化的重要手段，因此，非常有必要进行微型燃气轮机动态仿真研究。
本文借鉴重型燃气轮机建模的相关经验，采用模块化建模的思想Ｊ，以机械驱动用微型燃气轮机为对象，基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ平台，在建立压气机、
动态模型进行阶跃升负荷、甩负荷仿真研究。分析
了燃烧室烟气热惯性对微型燃气轮机动态性能的
影响。
１微型燃气轮机动态数学模型
微型燃气轮机动态模型流程图如图１所示。在
…
图微型燃气轮机动态模型流程示意图
Ｏ：（２１％）和Ｎ：（７９％）的混合物，使用ＣＨ作燃料，
且在燃烧室中完全燃烧，则空气和烟气的定压比热容分别为：
ＣｐＩａ＝０．２１。Ｃｐｏ２＋０．７９。ｃｐＮ２
，
，
（２）
１＋叼ｉ１ｓ．Ｃ１
的变化对气体比热容的影响。作两点假设Ｊ：１）每种组分的定压比热容只和温度相关；２）混合气体的
压力为每种组分的分压力之和。
燃烧室、透平、转子等部件模型的基础之上，建立了
微型燃气轮机动态模型及速度控制系统模型，并对
严志远，向文国，张士杰，肖云汉
（１．东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京２１００９６；
２．中国科学院
摘
先进能源动力重点实验室（工程热物理研究所），北京
１００１９０）
１６３．ｃｏｎ。ｒ
第１期
基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的微型燃气轮机动态仿真研究
３３
转子
图２微型燃气轮机仿真模型总体图
根据文献［３］，每种组分的定压比热容为：
ｃｐ＇＝ ∑ １０（・１
第２７卷
第１期
《燃
气
轮
机技术》来自Ｖｏ１．２７Ｎｏ．１
Ｍｏｒ．．２０１４
２０１４年３月
ＧＡＳＴＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ
基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的微型燃气轮机动态仿真研究
文献标识码：Ａ文章编号：１００９—２８８９（２０１４）０１ —００３２—０６
中图分类号：ＴＫ４７２
微型燃气轮机具有体积小、重量轻、寿命长、启
动快、维护简单等优点，具有很好的应用前景和价值。研究重型燃气轮机获得的一些经验也可以用在微型燃气轮机上，然而，由于微型燃气轮机具有较小