大型燃?xì)鈾C(jī)組起動(dòng)原理和變頻起動(dòng)控制策略

云恩錄

摘 要：隨著能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題突出，清潔能源的開(kāi)發(fā)研究和電控技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組利用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，其發(fā)電頻率大小及穩(wěn)定性是供電質(zhì)量的重要指標(biāo)，而燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的頻率控制主要是通過(guò)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

關(guān)鍵詞：大型 燃?xì)鈾C(jī)組 起動(dòng) 變頻起動(dòng)

1、燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組動(dòng)力的工作過(guò)程是一個(gè)周期性的過(guò)程，由于其發(fā)出的能量都是一個(gè)斷續(xù)的能量，因此，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量并不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行瞬時(shí)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)。此外，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的每一個(gè)工作循環(huán)中，諸如溫度、過(guò)量空氣系數(shù)、扭矩、有效功率、曲軸角速度、以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等等的參數(shù)都可以將其體現(xiàn)出來(lái)。如果，上述的參數(shù)都能在一個(gè)定值范圍內(nèi)保持穩(wěn)定時(shí)，我們就把這樣的一個(gè)工作情況稱之為穩(wěn)定工況。只有當(dāng)負(fù)載裝置所耗去的能量與燃?xì)鈾C(jī)所提供的能量持平時(shí)，它才能保持在一個(gè)穩(wěn)定工況下運(yùn)行。

2、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組工作原理與控制過(guò)程分析

發(fā)電機(jī)組工作原理為：發(fā)電機(jī)組控制器接收到開(kāi)機(jī)指令，使繼電器吸合，啟動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞通過(guò)連桿推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，由于無(wú)刷同步電機(jī)和曲軸同軸，無(wú)刷同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)工作產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。調(diào)速模塊接到曲軸轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)之后，經(jīng)過(guò)調(diào)速ECU處理之后，給節(jié)氣門一開(kāi)度指令信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)節(jié)氣門開(kāi)度的大小將混合器處理之后的混合氣吸入發(fā)電機(jī)組。點(diǎn)火模塊接到凸輪軸轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)之后，經(jīng)過(guò)點(diǎn)火ECU處理之后，給各個(gè)缸的點(diǎn)火執(zhí)行器（高壓包、阻尼線和火花塞）點(diǎn)火指令。另發(fā)電機(jī)組上有油壓傳感器、水溫傳感器、充電電機(jī)和蓄電池。

并機(jī)控制器通過(guò)控制電子調(diào)速器和電子調(diào)壓器以控制每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和輸出電壓，從而控制發(fā)電機(jī)組的并機(jī)、負(fù)載轉(zhuǎn)移和機(jī)組卸載解列操作。

電子調(diào)速器是一個(gè)采用負(fù)反饋的自動(dòng)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，給定預(yù)設(shè)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，如1500rpm，結(jié)合轉(zhuǎn)速微調(diào)信號(hào)給出預(yù)期的目標(biāo)值，將轉(zhuǎn)速目標(biāo)值和轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)到的實(shí)際轉(zhuǎn)速做差，將偏差值輸給調(diào)速控制器，調(diào)速控制器給節(jié)氣門對(duì)應(yīng)的開(kāi)度信號(hào)，根據(jù)進(jìn)氣門開(kāi)度將混合氣吸入缸內(nèi)燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)曲軸將轉(zhuǎn)速輸出。

同步電機(jī)是通過(guò)轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁繞組產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由發(fā)動(dòng)機(jī)提供。并機(jī)控制系統(tǒng)采用的電子調(diào)壓器是三相半波晶閘管型自動(dòng)調(diào)壓器（AVR），為無(wú)刷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中的一部分。電子調(diào)壓器通過(guò)控制勵(lì)磁磁場(chǎng)以提供一個(gè)閉環(huán)控制，控制輸出電壓在±1%的范圍內(nèi)變化。

自動(dòng)調(diào)壓器主要由測(cè)量比較環(huán)節(jié)、誤差信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖形成環(huán)節(jié)和晶閘管整流環(huán)節(jié)組成。測(cè)量比較環(huán)節(jié)是將發(fā)電機(jī)的端電壓進(jìn)行采集，采集流程為降壓、整流和濾波。比較環(huán)節(jié)是通過(guò)比較電路，將電壓值和預(yù)期電壓值進(jìn)行比較，輸出誤差。誤差信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)是接受前一環(huán)節(jié)傳遞的誤差信號(hào)，將誤差信號(hào)發(fā)大，然后經(jīng)過(guò)PID的調(diào)節(jié)，輸出控制信號(hào)。觸發(fā)脈沖形成環(huán)節(jié)和晶閘管整流環(huán)節(jié)是將PID處理出的控制信號(hào)輸出執(zhí)行。

3、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作原理分析

（1）完成嫌氣發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行控制，遠(yuǎn)程啟動(dòng)和關(guān)閉發(fā)電機(jī)組，當(dāng)需要增加帶載機(jī)組時(shí)，檢測(cè)發(fā)電機(jī)組并機(jī)條件，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)同步并機(jī)、機(jī)組卸載解列；

（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)電子調(diào)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定的工作轉(zhuǎn)速下，在功率轉(zhuǎn)移時(shí)根據(jù)要求改變轉(zhuǎn)速；

（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制發(fā)電機(jī)的端電壓穩(wěn)定，合理分配發(fā)電機(jī)組的無(wú)功功率；

（4）監(jiān)控發(fā)電機(jī)組工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組故障顯示和故障保護(hù)等的自動(dòng)控制。目前市場(chǎng)上的并機(jī)控制器，均采用每一臺(tái)發(fā)電機(jī)組配置一臺(tái)并機(jī)控制器，每一臺(tái)并機(jī)控制器均可以作為并機(jī)的主控制器，確定各臺(tái)發(fā)電機(jī)組的開(kāi)機(jī)順序，調(diào)度各臺(tái)發(fā)電機(jī)組的負(fù)載，分配各臺(tái)發(fā)電機(jī)組的有功功率和無(wú)功功率。單臺(tái)并機(jī)控制器的價(jià)格是單機(jī)組控制器價(jià)格的5倍，所以為了降低成本，采用一臺(tái)總的并機(jī)控制器與各發(fā)電機(jī)組的單機(jī)組控制器通訊，從而使各發(fā)電機(jī)組按開(kāi)機(jī)累計(jì)時(shí)間長(zhǎng)短的順序啟動(dòng)，調(diào)度各臺(tái)發(fā)電機(jī)組的負(fù)載，分配各臺(tái)發(fā)電機(jī)組的有功功率和無(wú)功功率，在實(shí)現(xiàn)并機(jī)控制功能的同時(shí)，大大縮小了并機(jī)控制器的成本?？刂撇呗杂刹C(jī)控制器算出，單機(jī)組控制器執(zhí)行并機(jī)數(shù)據(jù)采集、啟動(dòng)/停止操作和調(diào)壓調(diào)速操作。通訊準(zhǔn)備采用現(xiàn)場(chǎng)總線中的控制局域網(wǎng)（CAN）通訊方式，該方式因?yàn)榭煽啃愿摺⒎€(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、通信實(shí)時(shí)性好、系統(tǒng)造價(jià)和維護(hù)成本低等特點(diǎn)，而被廣泛用于離散控制領(lǐng)域。

單機(jī)組控制器有采集電壓、電流相應(yīng)的接口、采集電路、軟件程序和可被控制協(xié)議，可以由單機(jī)組控制器執(zhí)行電壓、電流的采集工作；單機(jī)組控制器有繼電器相應(yīng)的接口、驅(qū)動(dòng)電路、軟件程序和可被控制協(xié)議，可以由單機(jī)組控制器執(zhí)行合閘驅(qū)動(dòng)工作。所以并機(jī)控制器上的采集和驅(qū)動(dòng)功能可以由單機(jī)組控制器完成，并機(jī)控制器只需通過(guò)CAN總線通訊向單機(jī)組控制器下達(dá)命令即可；單機(jī)組控制器沒(méi)有調(diào)壓器和調(diào)速器相關(guān)的軟硬件和可被控制協(xié)議，所以只能由并機(jī)控制器提供其軟硬件，完成調(diào)壓調(diào)速功能；單機(jī)組控制器也沒(méi)有CAN通訊的軟硬件，但是有RS485接口，所以并機(jī)控制器可以通過(guò)485接口和單機(jī)組控制器通訊。

控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)為：采集母線電壓和執(zhí)行調(diào)壓調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路的并機(jī)控制器；調(diào)壓調(diào)速的電子調(diào)壓器和電子調(diào)速器、采集三項(xiàng)電壓電流和執(zhí)行開(kāi)機(jī)停機(jī)合閘操作的單機(jī)組控制器；和用于連接并機(jī)控制器與單機(jī)組控制器的CAN通訊網(wǎng)絡(luò)。此控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)為采集電壓和電流由單機(jī)組控制器采集，合閘和開(kāi)機(jī)操作也由單機(jī)組控制器完成，采集后信號(hào)由RS485轉(zhuǎn)CAN傳輸給并機(jī)控制器，并機(jī)控制器將合閘和開(kāi)機(jī)指令經(jīng)由CAN轉(zhuǎn)RS485傳遞給單機(jī)組控制器，這一并機(jī)控制器省去了隨著被控機(jī)組個(gè)數(shù)增多而添加的多組電壓電流采集電路和開(kāi)機(jī)停機(jī)合閘分閘用的驅(qū)動(dòng)電路。

（1）第一臺(tái)機(jī)組帶載準(zhǔn)備

發(fā)電機(jī)組并機(jī)之前，并機(jī)控制器挑選一臺(tái)累積啟動(dòng)時(shí)間最少的發(fā)電機(jī)組起機(jī)，發(fā)電機(jī)組的調(diào)壓器和調(diào)速器分別控制各自發(fā)電機(jī)組，穩(wěn)定輸出單項(xiàng)電壓為220V和穩(wěn)定轉(zhuǎn)速在15OOr/min。

（2）第二臺(tái)機(jī)組帶載準(zhǔn)備

當(dāng)并機(jī)控制器通過(guò)判斷發(fā)現(xiàn)：需求功率超過(guò)一臺(tái)發(fā)電機(jī)組額定功率的80%時(shí)，啟動(dòng)另一臺(tái)累積啟動(dòng)時(shí)間最少的發(fā)電機(jī)組，準(zhǔn)備并機(jī)操作。

（3）并機(jī)操作

并機(jī)控制器不斷地通過(guò)CAN總線和RS485信號(hào)線向兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組控制器讀取電壓、頻率和相位的信號(hào)（傳遞過(guò)程為：該信號(hào)經(jīng)過(guò)CAN總線，再經(jīng)過(guò)RS485-CAN轉(zhuǎn)換器，在經(jīng)過(guò)RS485信號(hào)線傳輸?shù)絻膳_(tái)發(fā)電機(jī)組控制器：兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組控制器再通過(guò)RS485信號(hào)線、RS485-CAN轉(zhuǎn)換器和CAN總線將所需信號(hào)傳回給發(fā)電機(jī)組控制器）。并機(jī)控制器根據(jù)控制策略給兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器和調(diào)壓器發(fā)出控制信號(hào)，當(dāng)滿足并機(jī)條件時(shí)，給待并機(jī)發(fā)電機(jī)組控制器發(fā)出合閘指令，完成并機(jī)操作，交流接觸器可以快速合閘，發(fā)電機(jī)組的三相四線電與電網(wǎng)接通。

（4）功率轉(zhuǎn)移分配

穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，并機(jī)控制器根據(jù)控制策略給兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器和調(diào)壓器發(fā)出控制信號(hào)，從而對(duì)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組間的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行分配及轉(zhuǎn)移。

（5）機(jī)組解列卸載

當(dāng)并機(jī)控制器通過(guò)判斷發(fā)現(xiàn)：需求功率小于單臺(tái)發(fā)電機(jī)組額定功率的60%時(shí)，根據(jù)策略選擇一臺(tái)發(fā)電機(jī)組，轉(zhuǎn)移負(fù)載，解列停機(jī)。

4、結(jié)語(yǔ)

從燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組入手，運(yùn)用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)相關(guān)理論知識(shí)，進(jìn)行了電控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組控制策略的研究保證發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，使整個(gè)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

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