[发明专利]一种柴油发电机组突变负载最大频率降计算方法

权利要求书

1.一种柴油发电机组突变负载最大频率降计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定机组驱动转矩与输出有功功率的关系，见公式（1）：

（1）

公式（1）中各参量含义为：M(N·m)是机组发动机驱动转矩；ω(radian/s)是机组旋转角速度（角频率）；P’(watt)是机组输出有功功率瓦数值；Pkw(kW)机组输出有功功率千瓦数值；

步骤2：确定机组旋转角频率变化率即角加速度计算，见公式（2）：

（2）

公式（2）各参量含义为：α(radian/s²)是角加速度（角频率变化率）；ω(radian/s)是角速度（角频率）；M(N·m)是机组发动机驱动转矩；I(kg·m²)机组整体转动惯量；

步骤3：建立初始电频率变化率计算模型

根据公式（1）和公式（2），并以机组电频率和机械转速来表达物理角频率，得到公式（3）；其中转速和电频率的实际值与额定值的比例关系为S=f×SN/fN，并将角频率转换为ω=2π×S/60=(2πf×SN/60)/fN；为使用方便和便于编程，公式（3）中对部分参量进行了量纲转换，原则是在统一使用国际标准单位制SI基础上，对于工程实际常用的参量则转换为工程习惯用量纲；

(Hz/s) （3）

公式（3）各参量含义为：△f/△t(Hz/s)是电频率变化率，表示为Fcr；△Pa(kW)是有功功率负载突变量，突加加载用正值，突卸减载用负值；I(kg·m²) 是机组整体转动惯量；f(Hz)是机组实际运行电频率；f_N(Hz)是机组额定电频率；S(rpm)是机组实际运行转速；SN(rpm)是机组额定运行转速；

步骤4：最大频率降过程分析和简化初算

机组突加负载时承受初始转动力矩突变量，在转矩突变量作用下，机组转速/电频率按照转动惯量关系变化；在调速系统响应之前，转速为线性变化；在调速系统响应以后，随着机组发动机驱动转矩的增加，转速变化率相应变化，从而形成非线性转速变化；在机组发动机驱动转矩增加升至与负载突加转矩相平衡的瞬间，转速/电频率的变化率为零，转速/电频率止降，此时转速/电频率是发生在第一波峰的最低点，是整个突变负载过程的最大频率降，也是本发明要计算的目标；

在最大频率降的止降拐点之后，过调增量转矩使频率变化率翻转，频率回升，在调速系统作用下，经过若干周期逐次衰减的波动，频率重新稳定在额定水平，但频率波动的最大点是在调速系统响应以后的第一波峰，即第一次转矩平衡过零点，该处最大频率降是评价产品性能最受关注的参数；为计算最大频率降，首先以初始频率变化率近似计算负载突加瞬间至频率止降点（驱动转矩与负载转矩平衡）期间的频率变化量，在后续步骤中再根据发动机瞬态力学变化分析予以修正，简化初算见公式（4）：

（4）

公式（4）各参量含义为：△f_max%是第一波峰最大频率降百分比；△f/△t(Hz/s)是电频率变化率；T（M=M）(s)是负载突加初始至频率止降点（驱动转矩与负载转矩平衡）的时间；fN(Hz)是机组额定频率；

步骤5：频率拐点判据的转矩平衡分析

对首次转矩平衡过零时间进行分析：对于四冲程N缸发动机，运行转速S（rpm），循环周期为Tcyc=2*60S(s），平均喷油时序间隔为Tcyc/N；任意时刻有N/4缸工作在相同冲程内，按制造设计的交叉顺序正时喷油做功；调速系统响应调节值在Tci（s）=(Tcyc /N)*N/4时间内覆盖N/4做功缸以完整实现转矩调整；随着时序做功递增，响应调节值在Tc（s）时间内使发动机转矩达到与突加转矩增量抗衡，其中Tc=Tci=Tcyc/4，即 Tc=(2*60/S)/4=30/S (s)；

调速系统响应时间为Tr (s)，该参数由发动机制造商资料提供；从突加负载瞬间开始，在调速系统调节下，发动机驱动转矩增量达到抗衡值所经过时间表示为公式（5）：

T（M=M）=Tr+Tc (s) （5）

步骤6：等量转速区间的积分冲量矩等效法

根据分析调速系统响应调整的非线性多过程，修正最大频率降计算；在Tr时间区间内，发动机转速在外部负载突加转矩增量作用下近似为线性陡变；在Tc区间内则由于调速系统作用使转速回调，在第一次达到转矩抗衡时频率曲线导数为零；为实现使用初始陡变频率变化率对最大频降的计算，需将Tr+Tc区间的非线性过程进行线性等效处理；等效方法是根据转速变化区间内的角冲量积分等值，对于非线性过程和线性过程，转速（角频率）变化区间相同，过程积分时间不同，但积分冲量矩则是相同的；

在调速系统的电子系统响应以后，根据执行环节元器件的机械特性，起始瞬间动作规律近似呈现幂函数曲线，并急速达到整定值，故使用三次幂函数拟合这个过程；

等效和修正计算，设初始转矩突变增量为△M0，机组初始频率f0，调速系统响应时频率f1，转矩抗衡过零频率为f2，将初始陡变频率线延伸至与第一波峰频率止降点水平线交叉点；非线性过程的积分冲量矩对应加上幂曲线的Q阴影面积，根据三次幂曲线积分计算，Q阴影面积为三角形CFH面积的1/2，即（△M0*Tc/2）/2；因此非线性过程积分冲量矩表达式为：△M0*（Tr+Tc/2）+（△M0*Tc/2）/2；按初始陡变斜率等效为线性过程的积分冲量矩对应面积，表达为：△M0*（Tr+Tc’）；

由于机组转动惯量不变，上述两个过程在对应电频率f0至f2区间内的积分冲量矩相同，即表示为公式（6）：

△M0*（Tr+Tc/2）+（△M0*Tc/2）/2=△M0*（Tr+Tc’） （6）

将公式（6）化简得到：Tc’=（3/4）*Tc；由于Tc=(2*60/S)/4=30/S (s)在计算时转速S近似取为初始转速，同时考虑工程计算的可靠性裕量，将Tc’=（3/4）*Tc处理为Tc’≈0.8*Tc；以Tc’替代Tc，则转矩抗衡时间等效为公式（7）：

T（M=M）=Tr+0.8*Tc (s) （7）

利用公式（3）的初始频率变化率计算，最大频率降的修正计算为公式（8）：

（8）。

2.根据权利要求1所述的一种柴油发电机组突变负载最大频率降计算方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤7：收集原始输入数据项，包括：发动机气缸数N、机组额定频率fN、额定转速SN、负载突变前实际频率f、发动机转动惯量Ie、发电机转动惯量Ig、机组调速系统最小响应时间Trmin、最大响应时间Trmax、突变负载千瓦数△P、突变前稳态功率P0、机组附加转动惯量参数；

步骤8：按照公式（1）至（5）对参量的量纲说明，对收集到的原始数据量纲进行转换，使之符合各公式要求；

步骤9：对公式（3）各中间量进行计算，初始实际转速S、机组总转动惯量I、发电机极对数p（由额定频率和额定转速计算）、中间惯量变换2πI/p、初始瞬态冲击转矩ΔMi；

步骤10：代入各中间量计算结果，根据公式（3），计算出初始瞬态频率变化率Δf/Δt数值，单位量纲为（Hz/s）；

步骤11：依次计算增量转矩覆盖时间Tc，对应最小响应参数的等效覆盖时间Tc’1，对应最大响应参数的等效覆盖时间Tc’2；

步骤12：计算转矩平衡过零时间T（M=M）min和T（M=M）max；

步骤13：将步骤10、步骤11、步骤12计算结果代入公式（8），依次计算出不同响应情形下的最大频率降数值百分率。