季魁玉紀(jì)少波程勇趙盛晉秦皓晟（-勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司山東東營(yíng)57000-山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

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分布式天然氣發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究*

季魁玉1紀(jì)少波2程勇2趙盛晉2秦皓晟2
（1-勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司山東東營(yíng)2570002-山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

天然氣作為一種高效、安全、儲(chǔ)量豐富的清潔能源現(xiàn)已進(jìn)入了人們的視野。由于分布式發(fā)電機(jī)組具有體積小、移動(dòng)方便、成本低等特點(diǎn)，因此對(duì)分布式發(fā)電機(jī)組開(kāi)展研究具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)效益。以小型氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)了適用的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氣體機(jī)的點(diǎn)火控制及調(diào)速控制。基于該控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)在瞬態(tài)調(diào)整率、穩(wěn)態(tài)調(diào)整率、頻率波動(dòng)率及達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間等方面均滿足國(guó)標(biāo)要求。

天然氣發(fā)電機(jī)組點(diǎn)火控制速度調(diào)節(jié)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，世界范圍內(nèi)對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，煤和石油作為不可再生能源可供開(kāi)采的量越來(lái)越少，同時(shí)煤和石油的燃燒帶來(lái)一系列的環(huán)境問(wèn)題。而天然氣作為一種高效、安全、儲(chǔ)量豐富的清潔能源，現(xiàn)已進(jìn)入人們的視野，并且天然氣發(fā)電在世界范圍內(nèi)已經(jīng)得到了日益廣泛的應(yīng)用［1］。

分布式供電是相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式供電而言的，它是指將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模（幾千瓦到50 MW）、分散式的方式布置于用戶附近［2］。分布式發(fā)電與集中式供電相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：采用能源就地供應(yīng)、就地轉(zhuǎn)換的方式運(yùn)行，不需要遠(yuǎn)程供電和輸電設(shè)備，降低了輸送過(guò)程中的能量損耗；分布式供電系統(tǒng)具有體積小、移動(dòng)方便、成本低等特點(diǎn)［3］。

目前，小型氣體機(jī)發(fā)電機(jī)組廠家考慮到成本等原因，采用的控制系統(tǒng)一般都由調(diào)速模塊和點(diǎn)火控制模塊兩個(gè)模塊組成，這兩個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立且兩個(gè)系統(tǒng)一般都由不同的廠家提供［4］。由于調(diào)速和點(diǎn)火是由兩個(gè)系統(tǒng)配合工作，兩個(gè)系統(tǒng)的相互獨(dú)立會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組性能的優(yōu)化帶來(lái)不便。為了解決這一問(wèn)題，本文根據(jù)天然氣發(fā)電機(jī)組工作的實(shí)際需要，開(kāi)發(fā)了一套適用于小型天然氣發(fā)電機(jī)組的綜合調(diào)速和點(diǎn)火功能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以英飛凌公司生產(chǎn)的XE164FN單片機(jī)為核心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火和速度綜合控制為目的，對(duì)控制器的硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本論文的研究?jī)?nèi)容對(duì)于小型天然氣發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的研制具有一定的借鑒意義。

1　控制系統(tǒng)功能需求

發(fā)電機(jī)組控制單元主要包含傳感器信號(hào)處理電路、微處理器、驅(qū)動(dòng)電路及CAN通訊電路等部分組成。傳感器的信號(hào)處理電路包括模擬信號(hào)處理電路、脈沖信號(hào)處理電路及開(kāi)關(guān)量信號(hào)處理電路，其中模擬信號(hào)處理電路主要用于處理節(jié)氣門位置、水溫、機(jī)油壓力、蓄電池電壓等信號(hào)。脈沖信號(hào)主要包括曲軸位置信號(hào)和凸輪軸位置信號(hào)。開(kāi)關(guān)量信號(hào)主要為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)信號(hào)。

控制系統(tǒng)單片機(jī)采用英飛凌XE164FN單片機(jī)，該單片機(jī)為16位單片機(jī)，其工作時(shí)鐘可達(dá)80 MHz。XE164FN具有較大的內(nèi)部存儲(chǔ)器容量，同時(shí)芯片上具有多種控制功能模塊，資源豐富，因此在使用時(shí)無(wú)需過(guò)多外接其他的驅(qū)動(dòng)芯片。XE164FN上具有2路CAN通訊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)CAN總線數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。XE164FN具有片上引導(dǎo)程序加載器和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DAP和BDM接口，使產(chǎn)品硬件和軟件的調(diào)試更加快捷［5］。驅(qū)動(dòng)電路主要是用于控制節(jié)氣門的位置及點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)。通過(guò)節(jié)氣門位置控制可以實(shí)現(xiàn)不同工況下對(duì)進(jìn)氣的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；通過(guò)控制點(diǎn)火線圈的閉合時(shí)間，從而控制點(diǎn)火時(shí)刻及點(diǎn)火能量。開(kāi)發(fā)的硬件系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件電路主要包括電源電路、單片機(jī)及外圍電路、脈沖信號(hào)處理電路、模擬信號(hào)處理電路、電子節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電路及點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路等部分。各部分的設(shè)計(jì)思路如下：

本系統(tǒng)的輸入電源為12 V，而系統(tǒng)中的部分電路需要5 V電源，為此本文設(shè)計(jì)了以TLE6365為核心的電源轉(zhuǎn)換電路。TLE6365是英飛凌公司生產(chǎn)的汽車級(jí)電源轉(zhuǎn)換芯片，能夠?qū)㈦妷悍秶鸀? V～35 V的電壓穩(wěn)定在4.75 V～5.25 V之間。單片機(jī)及外圍電路是指能夠使單片機(jī)正常運(yùn)行的最小硬件單元電路。一般由以下幾部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)及其濾波電路、晶振電路、復(fù)位電路、程序下載及調(diào)試電路。

本試驗(yàn)中用的曲軸位置傳感器為磁電感應(yīng)式，安裝于曲軸附近。凸輪信號(hào)傳感器采用霍爾式傳感器。信號(hào)在進(jìn)入單片機(jī)之前先經(jīng)過(guò)RC濾波消除干擾，而后經(jīng)過(guò)TLC277的放大后進(jìn)入帶滯環(huán)比較器的4093施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形，這個(gè)脈沖處理電路能夠有效地消除毛刺等其他干擾信號(hào)引起的信號(hào)失真，保證輸出波形的穩(wěn)定。

試驗(yàn)中需要對(duì)蓄電池電壓、機(jī)油壓力、冷卻水溫及節(jié)氣門位置等進(jìn)行采集，控制系統(tǒng)單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的量程是5 V，所以需要將各傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5 V的模擬信號(hào)。蓄電池的電壓高，通過(guò)電阻分壓后進(jìn)行采集。機(jī)油壓力傳感器輸出為0～5 V的電壓信號(hào)，可以直接進(jìn)行采集。冷卻水溫傳感器多采用熱敏電阻［6］，本設(shè)計(jì)選用負(fù)溫度系數(shù)型熱敏電阻，通過(guò)精密電阻上拉至電源，將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。電子節(jié)氣門位置反饋傳感器為無(wú)觸點(diǎn)雙電位計(jì)結(jié)構(gòu)，傳感器同時(shí)輸出兩個(gè)呈反向變化的電壓信號(hào)。上述模擬信號(hào)都經(jīng)過(guò)RC濾波電路處理，提高信噪比，此外，為了防止過(guò)壓對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片造成危害，增加了穩(wěn)壓二極管起限壓保護(hù)作用。系統(tǒng)的啟動(dòng)信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，輸入信號(hào)為12 V電平信號(hào)，通過(guò)三極管的開(kāi)關(guān)特性將12 V電平轉(zhuǎn)化為5 V電平，并送入單片機(jī)。

控制系統(tǒng)采用M2C00型點(diǎn)火線圈，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制信號(hào)到功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)變，驅(qū)動(dòng)芯片采用Fairchild公司生產(chǎn)的V5045S型IGBT。設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，通過(guò)取樣電阻得到初級(jí)線圈電流，通過(guò)比較器及與門芯片在電流異常時(shí)保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路。IGBT的柵極電阻RG對(duì)其工作性能有較大的影響，較大的RG能夠抑制IGBT的電流和電壓的上升率，但增加IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間和損耗；較小的RG會(huì)增大電流上升率，但容易使IGBT誤導(dǎo)通或損壞。對(duì)比不同柵極電阻對(duì)應(yīng)的柵極電壓上升曲線，結(jié)果如圖2所示。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，最終將RG取為5.1 Ω。

圖2　　不同RG值下IGBT的導(dǎo)通時(shí)間

在蓄電池電壓一定的情況下，點(diǎn)火線圈中次級(jí)線圈的點(diǎn)火能量與初級(jí)線圈的充電時(shí)間有關(guān)系［7］。

a）充電時(shí)間為1.4 ms

c）充電時(shí)間為6.5 ms

圖3為不同充電時(shí)間對(duì)應(yīng)的初級(jí)線圈的電流上升曲線，由圖可見(jiàn)，隨著充電時(shí)間的增加，初級(jí)線圈的電流增大，考慮到充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)點(diǎn)火線圈容易發(fā)熱，本研究中將最大充電時(shí)間定為6.5 ms。

本設(shè)計(jì)中的節(jié)氣門選用博世公司生產(chǎn)的DVE5型。為了能夠靈活地控制節(jié)氣門，本文選用能夠?qū)崿F(xiàn)可逆PWM的H橋控制芯片L9958為電子節(jié)氣門控制芯片。該芯片能夠?qū)χ绷麟姍C(jī)進(jìn)行控制，也能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。芯片中可以根據(jù)需要通過(guò)SPI總線設(shè)置芯片的驅(qū)動(dòng)電流，其中最低驅(qū)動(dòng)電流為2.5A，最高驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到8.6A［8］。

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠性高、傳輸速度快、擴(kuò)展性強(qiáng)，得到了廣泛的應(yīng)用。雖然XE164FN單片機(jī)內(nèi)部集成了CAN模塊，但是由于不同CAN設(shè)備在接收和發(fā)送信號(hào)時(shí)所用的電平幅值有所不同，因此單片機(jī)CAN通訊需要外接一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片。本文中采用了NXP半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的高速CAN總線收發(fā)器TJA1040，傳輸速率高達(dá)1 Mbit/s滿足設(shè)計(jì)的要求。

圖3　點(diǎn)火線圈的充電特性

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本課題所研究的天然氣發(fā)電機(jī)組主要由：進(jìn)氣系統(tǒng)、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、負(fù)載、控制系統(tǒng)以及PCI采集卡等幾部分組成。天然氣發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖4所示。試驗(yàn)中的天然氣在經(jīng)過(guò)減壓器和穩(wěn)壓器后在混合器中與空氣混合而后通過(guò)電子節(jié)氣門進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。上位機(jī)和下位機(jī)之間通過(guò)CAN卡進(jìn)行通訊，同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)PCI采集卡對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行高速采集和處理，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4　天然氣發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

圖5　試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

研究用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是在全柴490的基礎(chǔ)上改裝而來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1　天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

國(guó)標(biāo)規(guī)定電網(wǎng)的額定頻率值必須為50 Hz。同時(shí)國(guó)標(biāo)還對(duì)機(jī)組的穩(wěn)態(tài)調(diào)整率、瞬態(tài)調(diào)整率、穩(wěn)定時(shí)間、波動(dòng)率等提出了要求，具體要求如下表2所示。

表2　國(guó)標(biāo)對(duì)發(fā)電機(jī)組控制參數(shù)的要求

因?yàn)楸緳C(jī)組采用發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)直接相連的連接方式，為此發(fā)電機(jī)的輸出頻率（Hz）與內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）之間有如下關(guān)系：

式中：p為發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，本試驗(yàn)中所用發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)為2，為了能夠使發(fā)電機(jī)的發(fā)電頻率保持在50 Hz，氣體機(jī)的轉(zhuǎn)速必須穩(wěn)定在1 500 r/min。

對(duì)發(fā)電機(jī)組的性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)以電爐子作為負(fù)載，通過(guò)改變接入的電爐子數(shù)目來(lái)對(duì)發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，負(fù)載如圖6所示。在負(fù)載調(diào)整過(guò)程中用采集卡對(duì)負(fù)載變化前后的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集和記錄，而后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，按照國(guó)標(biāo)的要求得到穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率、頻率波動(dòng)率、瞬態(tài)頻率調(diào)整率及頻率穩(wěn)定時(shí)間。

圖6　發(fā)電機(jī)組負(fù)載

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了連續(xù)3次加載及3次減載實(shí)驗(yàn)，加載過(guò)程實(shí)驗(yàn)曲線如圖7所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)突加負(fù)載時(shí)，氣體機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)突然下降，控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整節(jié)氣門的開(kāi)度，增加進(jìn)氣量，將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 500 r/min。

表3為加載過(guò)程各工況參數(shù)對(duì)比情況，由表可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)組在加載過(guò)程中穩(wěn)態(tài)調(diào)整率最大為-2.2%，最小為-2.0%；瞬態(tài)頻率調(diào)整率最大為-6.5%，最小為1.8%；頻率波動(dòng)率最大為1.9%，最小為1.6%；達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間最大為14.2 s，最小為1.8 s。上述參數(shù)均滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定的限值要求。

圖7　發(fā)電機(jī)組加載過(guò)程轉(zhuǎn)速變化曲線

表3　加載工況各參數(shù)對(duì)比

圖8為3次減載實(shí)驗(yàn)過(guò)程的轉(zhuǎn)速曲線，由圖可見(jiàn)，當(dāng)突減負(fù)載時(shí)，氣體機(jī)的轉(zhuǎn)速突然升高，進(jìn)而在控制系統(tǒng)的作用下，通過(guò)調(diào)整節(jié)氣門開(kāi)度將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

圖8　發(fā)電機(jī)組減載過(guò)程轉(zhuǎn)速變化曲線

表4為減載過(guò)程各工況參數(shù)對(duì)比情況，由表可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)組減載過(guò)程中穩(wěn)態(tài)調(diào)整率最大為2.4%，最小為-1.6%；瞬態(tài)頻率調(diào)整率最大為5.9%，最小為3.8%；頻率波動(dòng)率最大為1.9%，最小為1.4%；達(dá)到穩(wěn)

表4　減載工況各參數(shù)對(duì)比

定所需的時(shí)間最大為11.5 s，最小為3.1 s。上述參數(shù)均滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定的限值要求。

4　結(jié)論

1）本文根據(jù)天然氣發(fā)電機(jī)組的情況，選用英飛凌公司的16位單片機(jī)XE164FN作為主芯片，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了分布式天然氣發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)。

2）控制系統(tǒng)能夠?qū)ν馆嗇S傳感器及曲軸傳感器等2路脈沖信號(hào)進(jìn)行處理；NTC熱敏電阻、機(jī)油壓力傳感器、電子節(jié)氣門位置傳感器及蓄電池電壓等模擬信號(hào)進(jìn)行采集；并實(shí)現(xiàn)對(duì)4路點(diǎn)火及1路電子節(jié)氣門的控制。

3）在由全柴490柴油機(jī)改進(jìn)而來(lái)的天然氣發(fā)電機(jī)組上進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)機(jī)組的穩(wěn)態(tài)調(diào)整率最高為2.4%，瞬態(tài)調(diào)整率最高為-6.5%，頻率波動(dòng)率最高為1.9%，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間最長(zhǎng)為14.2s，均符合國(guó)標(biāo)要求。

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8ST Semiconductor Inc.L9958 Data Sheet［EB/OL］.http：//www.st.com/web/en/resource/technical/document/ datasheet/CD00268302.pdf

Hardware Design and Experimental Study of Control System for Small Scale Natural Gas Generating Unit

Ji Kuiyu1，Ji Shaobo2，Cheng Yong2，Zhao Shengjin2，Qin Haosheng2
1-Shengli Oilfield Shengli Power Machinery Group Company LTD（Dongying，Shandong，257000，China）2-College of Energy and Power Engineering，Shandong University

As an efficient，safe and abundant resource，natural gas has been used in the field of clean energy.The distributed generation（DG）has small volume，easy to move，low cost and so on.So distributed generation of small gas turbine research has important economic and social benefits.A control system used for small gas engine was developed in the paper.The system can be used to achieve ignition control and speed control.Experiment was carried out using the system and results showed that parameters such as instantaneous regulating rate，stable regulating rate，frequency fluctuation and stabilization time can all satisfy the standard.

Natural gas，Generating unit，Ignition control，Speed adjustment

TK428

A

2095-8234（2015）06-0008-06

山東省自然科學(xué)基金（2013ZRE27215）和中國(guó)博士后基金項(xiàng)目（2015M572029）。

季魁玉（1962-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闅怏w機(jī)工作過(guò)程分析。

紀(jì)少波（1979-），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)工作過(guò)程及測(cè)控技術(shù)。

（2015-10-23）