舰船综合电力推进系统由于具有很高的经济性、机动性及可靠性等优势，已成为未来舰船动力的发展方向之一[1]。燃气轮机由于其功率大、重量轻、振动小，更适合作为发电模块的原动机。船舶电网为一个独立运行的孤立电网，电站容量小，对电力负荷大范围变化比较敏感[2,3]。燃气轮机发电系统作为综合电力系统的电源，当电网负荷发生波动时，其控制系统需实时可靠地调节机组转速和发电机端电压，以保证电网电能品质满足要求。
船用燃气轮机发电机组控制包括燃气轮机转速控制和同步发电机励磁控制两个方面。文献[4,5]基于机理建模分析方法建立了燃气轮发电机组的动力学仿真模型，进一步对燃气轮机的控制策略进行分析研究，其不足之处在于没有从保证电网电能品质出发，结合发电机端电压控制进行综合研究。本文通过基于Matlab/Simulink软件建立某单轴燃气轮机发电机组控制系统仿真模型，对机组转速及励磁电压进行协调控制仿真实验研究。模型中所用变量均采用无量纲形式，额定工况下变量值为1。
1 燃气轮机转速控制系统模型
将同步发电机及其励磁系统作为一个电磁相互作用的整体单元，船舶燃气轮机发电机组
是燃气轮机为原动机通过机械轴带动发电机的转子旋转，将机械能转化为电能的系统，其控制结构如图1所示。同步发电机为燃气轮机的机械轴负荷；电网的电力负荷作用到同步发电机上，发电机通过机械转矩作用于燃气轮机。燃气轮机控制系统由转速控制系统、加速度控制系统和温度控制系统组成。三个控制系统输出的燃料值参考指令经过最小值选择器，将最小的燃料基准值送到燃料控制系统，对燃气轮机的供油量进行控制。


图1 船舶燃气轮机发电机组控制系统结构图

（1）转速控制系统
机组的转速与电网的频率两者之间存在一定偏差，转速控制的目的就是跟踪电网负荷的变化，调节机组转速，使偏差控制在允许的范围内，从而保证机组发出电能的频率品质，转速控制通常采用带惯性的比例算法，输入为给定转速与实际转速的偏差。
（2）加速度控制系统
加速度控制系统在正常情况下不起作用，是一种限制性控制，只在燃气轮机启动过程中限制机组的启动加速率或在机组突然甩负荷时抑制动态超速，以防止转子加速度过高威胁机组的安全。
(3)温度控制系统
燃气轮机涡轮的进口燃气温度很高，为了避免高温燃气对涡轮叶片产生损害，在运行中必须使涡轮进气温度控制在一定范围内，保证燃气不超温。采用热电偶对燃气轮机排气温度进行测量，根据测量原理，温度测量模型由测温元件和温度场两部分的动力学模型构成，其模型分别为：和。
综上，建立某型单轴燃气轮机和控制系统仿真模型如图2所示。

图2 某型单轴燃气轮机和控制系统仿真模型
2 同步发电机励磁控制系统
励磁系统的基本功能为能供给和自动调节同步发电机的磁场电流，使得发电机的电力输出在连续容量之内变化时能维持端电压不变[6]。船舶大功率同步发电机励磁控制系统结构如图3所示：

图3 同步发电机励磁控制系统结构框图
3 协调控制系统仿真实验
船舶电网电压和发电机组转速是一对相互耦合的变量，其中一个变量发生变化会引起另一个变量变化。转速控制系统和励磁控制系统作为这两个变量的控制系统，也要求相互耦合，故采用协调控制，达到同时控制燃气轮发电机组转速和电压稳定的目的，以满足船舶电网电能质量要求。
如图4所示，将上述燃气轮机及其控制系统仿真模型与同步发电机及其励磁控制系统分别进行封装连接，组成船舶燃气轮机发电机组的协调控制系统仿真模型。发电机组发出的电经变压器变压后接入电网，由于船舶负载中，多是感性负载，故采用三相RL负载通过控制主开关的通断模拟实船负载变化进行仿真分析，以验证本文所采用的协调控制策略和所建立仿真系统模型的有效性。