禹永博 張大林

沈陽燃氣有限公司

燃氣發(fā)電機組發(fā)動機電控系統(tǒng)控制策略研究

禹永博 張大林

沈陽燃氣有限公司

隨著能源短缺和環(huán)境污染問題突出，清潔能源的開發(fā)研究和電控技術(shù)越來越受到關(guān)注。燃氣發(fā)電機組利用天然氣發(fā)動機提供動力驅(qū)動發(fā)電機發(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)，而燃氣發(fā)電機組的頻率控制主要是通過天然氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制來實現(xiàn)的。因此，本文針對以天然氣為燃料、由火花點火發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機組進行電控系統(tǒng)總體設(shè)計，包括燃氣發(fā)動機的建模與仿真、燃氣發(fā)電機組控制策略的設(shè)計、燃氣發(fā)電機組控制系統(tǒng)仿真等。

燃氣發(fā)電機組；機電系統(tǒng)；控制

能源和環(huán)境是本世紀(jì)最具挑戰(zhàn)性的問題之一。國際能源機構(gòu)最近發(fā)表的報告指出，全球能源供應(yīng)狀況急需改善，各國政府應(yīng)該控制能源需求，減少溫室氣體排放。隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展和人民生活水平的提高，我國對石油等資源的需求不斷增加，從1993年開始就由石油凈出口國變?yōu)閮暨M口國，對外的依存度逐年提高，目前已經(jīng)達到50%以上，所以替代能源的發(fā)展對我國來說十分迫切和重要。天然氣是繼煤和石油之后的第三大能源，具有資源儲藏量豐富、價格便宜、污染小使用性能好等優(yōu)點得到了廣泛的利用。根據(jù)國際權(quán)威機構(gòu)預(yù)測，未來二十年內(nèi)，天然氣將超過石油，在全球能源結(jié)構(gòu)中成為第一能源。

1 天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 工作原理

天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)因具體應(yīng)用情況的不同而不同，有各種相應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)組成形式，應(yīng)該根據(jù)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)性能水平、使用的環(huán)境條件、還有各種要求的側(cè)重點和排放法規(guī)的嚴(yán)格程度等多種因素來確定所采用的燃氣噴射和點火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置。

天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)主要由信號輸入裝置、電控單元和執(zhí)行器組成。傳感器采集各種信號比如進氣溫度壓力、節(jié)氣門開度、轉(zhuǎn)速等傳遞給ECU，ECU進行分析計算確定控制方法，然后發(fā)出信號給執(zhí)行器，包括噴氣閥、點火器和電子節(jié)氣門體驅(qū)動電機等，從而實現(xiàn)控制功能。

天然氣噴射系統(tǒng)根據(jù)進入氣缸內(nèi)的空氣質(zhì)量提供與之相適應(yīng)的天然氣，從而控制混合氣的空燃比，滿足發(fā)動機的工況需求；點火系統(tǒng)通過調(diào)整點火正時，保證火花塞的能量，使燃燒過程正常進行；電子節(jié)氣門體通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度來實現(xiàn)發(fā)動機在不同工況下的優(yōu)化控制，提高發(fā)動機性能；在閉環(huán)控制中，排氣中氧傳感器產(chǎn)生的信號反饋給電子控制單元，從而提高控制精度。

從結(jié)構(gòu)上來看，天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)主要由三個部分組成，空氣進氣系統(tǒng)、天然氣供給系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)。

1.2 控制系統(tǒng)

1)空氣進氣系統(tǒng)

空氣進氣系統(tǒng)的主要作用是根據(jù)發(fā)動機不同工況的要求，調(diào)節(jié)或者控制進入氣缸的空氣量，使其與該工況下燃燒所需要的燃料相匹配。

天然氣發(fā)動機進氣系統(tǒng)由空氣濾清器，電子節(jié)氣門體，節(jié)氣門位置傳感器等組成?？諝鉃V清器的作用是保證清潔的空氣進入氣缸；電子節(jié)氣門體的功能是控制發(fā)動機工作時的進氣量，電控單元通過驅(qū)動步進電機控制調(diào)節(jié)其角度開度來調(diào)節(jié)進入發(fā)動機的空氣量，從而控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和輸出功率；節(jié)氣門位置傳感器檢測節(jié)氣門開度，并將信號傳遞給電控單元。

2)天然氣供給系統(tǒng)

天然氣發(fā)動機供氣系統(tǒng)的布置如圖所示：所使用的天然氣是經(jīng)過加工過的壓縮天然氣，壓力可以達到20MPa，此壓縮的天然氣的氣源是由瓶裝天然氣提供的。天然氣供氣系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：氣瓶、天然氣濾清器、調(diào)壓閥、連接管路和燃氣噴射電磁閥等。

天然氣供氣過程：儲存在氣瓶中的壓縮天然氣經(jīng)過氣瓶閥門，濾清器向調(diào)壓裝置提供壓力為20MPa左右的高壓壓縮天然氣，經(jīng)過兩級調(diào)壓之后進入減壓閥，天然氣在減壓閥內(nèi)減壓膨脹，壓力降到一定值，并保持恒定。這個壓力直接作用在整個低壓組件上，包括電磁噴射閥所在的氣軌。電磁噴射閥按照電控單元ECU的指令開關(guān)，將適量天然氣按照發(fā)動機工況噴入進氣道。

2 燃氣發(fā)電機組控制策略設(shè)計

燃氣發(fā)電機組在使用時需要滿足供電指標(biāo)，而機組的發(fā)電頻率大小以及穩(wěn)定性是其供電質(zhì)量的重要內(nèi)容，因此將供電頻率維持在允許的范圍內(nèi)是發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主要任務(wù)之一。

通常，燃氣發(fā)電機組頻率控制的方法是用調(diào)速器維持發(fā)動機的轉(zhuǎn)速恒定在一定范圍內(nèi)，以此實現(xiàn)發(fā)電頻率穩(wěn)定。但是一般使用的調(diào)速器穩(wěn)定時間較長，引起的超調(diào)較大，特別是當(dāng)系統(tǒng)啟動或者負(fù)載變化范圍較大時，系統(tǒng)容易出現(xiàn)超調(diào)或者振蕩。實際運用也表明，使用電子調(diào)速系統(tǒng)在空載和低負(fù)荷工況穩(wěn)定性變差，不能很好的兼顧系統(tǒng)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能的現(xiàn)象。針對燃氣發(fā)電機組的特點，本文提出了以負(fù)荷變化為輸入量進行控制的控制策略。

燃氣發(fā)電機組中，天然氣發(fā)動機為原動機帶動同步發(fā)電機發(fā)出電力，控制系統(tǒng)對機組電壓、發(fā)電頻率及機組狀態(tài)進行監(jiān)控。在穩(wěn)定工況下，天然氣發(fā)動機作用在發(fā)電機上的轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載在發(fā)電機上產(chǎn)生的阻力矩(即電磁力矩)。此時，發(fā)動機的節(jié)氣門開度一定，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，發(fā)電頻率也保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)用電負(fù)荷改變，負(fù)載電流也隨之變化，引起發(fā)電機內(nèi)電磁轉(zhuǎn)矩大小發(fā)生改變，力矩不再平衡，就會造成轉(zhuǎn)速開始產(chǎn)生相應(yīng)的加速或者減速，使頻率發(fā)生波動。此時，為了維持發(fā)電機發(fā)電頻率穩(wěn)定，必須及時改變發(fā)動機節(jié)氣門開度，相應(yīng)增大或者減小混合氣量，以提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩來維持轉(zhuǎn)矩平衡。因此，頻率控制就是在負(fù)載擾動及其他隨機干擾使頻率發(fā)生波動時調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，使頻率穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

針對以上分析，確定了本次發(fā)電機組的頻率控制策略就是對天然氣發(fā)動機的進氣量進行控制，通過調(diào)節(jié)天然氣發(fā)動機節(jié)氣門開度來保證天然氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，從而實現(xiàn)燃氣發(fā)電機組的頻率的穩(wěn)定。

綜上所述，從燃氣發(fā)電機組入手，運用燃氣發(fā)電機組控制系統(tǒng)和天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)相關(guān)理論知識，進行了電控系統(tǒng)的總體設(shè)計和燃氣發(fā)電機組控制策略的研究。并對控制策略進行了仿真驗證，實現(xiàn)了在發(fā)電機用電負(fù)荷發(fā)生波動時，保證發(fā)動機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，使整個燃氣發(fā)電機組能夠穩(wěn)定運行。

[1]李云龍.燃氣發(fā)電機組發(fā)動機電控系統(tǒng)控制策略研究[D].華中科技大學(xué)，2013.

[2]李建勛.氣體燃料發(fā)動機電控系統(tǒng)研究[D].長安大學(xué)，2007.

[3]寧想忠.燃氣發(fā)動機電控系統(tǒng)通信協(xié)議的實現(xiàn)[D].華南理工大學(xué)，2014.