燃氣發電機組發動機電控系統控制策略研究

禹永博 張大林

沈陽燃氣有限公司

燃氣發電機組發動機電控系統控制策略研究

禹永博 張大林

沈陽燃氣有限公司

隨著能源短缺和環境污染問題突出，清潔能源的開發研究和電控技術越來越受到關注。燃氣發電機組利用天然氣發動機提供動力驅動發電機發電，其發電頻率大小及穩定性是供電質量的重要指標，而燃氣發電機組的頻率控制主要是通過天然氣發動機轉速控制來實現的。因此，本文針對以天然氣為燃料、由火花點火發動機驅動的發電機組進行電控系統總體設計，包括燃氣發動機的建模與仿真、燃氣發電機組控制策略的設計、燃氣發電機組控制系統仿真等。

燃氣發電機組；機電系統；控制

能源和環境是本世紀最具挑戰性的問題之一。國際能源機構最近發表的報告指出，全球能源供應狀況急需改善，各國政府應該控制能源需求，減少溫室氣體排放。隨著我國經濟快速發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為凈進口國，對外的依存度逐年提高，目前已經達到50%以上，所以替代能源的發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點得到了廣泛的利用。根據國際權威機構預測，未來二十年內，天然氣將超過石油，在全球能源結構中成為第一能源。

1 天然氣發動機電控系統總體設計

1.1 工作原理

天然氣發動機電控系統因具體應用情況的不同而不同，有各種相應不同的結構組成形式，應該根據發動機的結構性能水平、使用的環境條件、還有各種要求的側重點和排放法規的嚴格程度等多種因素來確定所采用的燃氣噴射和點火系統的結構配置。

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

天然氣噴射系統根據進入氣缸內的空氣質量提供與之相適應的天然氣，從而控制混合氣的空燃比，滿足發動機的工況需求；點火系統通過調整點火正時，保證火花塞的能量，使燃燒過程正常進行；電子節氣門體通過調節節氣門開度來實現發動機在不同工況下的優化控制，提高發動機性能；在閉環控制中，排氣中氧傳感器產生的信號反饋給電子控制單元，從而提高控制精度。

從結構上來看，天然氣發動機電控系統主要由三個部分組成，空氣進氣系統、天然氣供給系統和電子控制系統。

1.2 控制系統

1)空氣進氣系統

空氣進氣系統的主要作用是根據發動機不同工況的要求，調節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。

天然氣發動機進氣系統由空氣濾清器，電子節氣門體，節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；電子節氣門體的功能是控制發動機工作時的進氣量，電控單元通過驅動步進電機控制調節其角度開度來調節進入發動機的空氣量，從而控制發動機的轉速和輸出功率；節氣門位置傳感器檢測節氣門開度，并將信號傳遞給電控單元。

2)天然氣供給系統

天然氣發動機供氣系統的布置如圖所示：所使用的天然氣是經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。天然氣供氣系統主要包括以下幾個部分：氣瓶、天然氣濾清器、調壓閥、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過氣瓶閥門，濾清器向調壓裝置提供壓力為20MPa左右的高壓壓縮天然氣，經過兩級調壓之后進入減壓閥，天然氣在減壓閥內減壓膨脹，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，將適量天然氣按照發動機工況噴入進氣道。

2 燃氣發電機組控制策略設計

燃氣發電機組在使用時需要滿足供電指標，而機組的發電頻率大小以及穩定性是其供電質量的重要內容，因此將供電頻率維持在允許的范圍內是發電機組控制系統的主要任務之一。

通常，燃氣發電機組頻率控制的方法是用調速器維持發動機的轉速恒定在一定范圍內，以此實現發電頻率穩定。但是一般使用的調速器穩定時間較長，引起的超調較大，特別是當系統啟動或者負載變化范圍較大時，系統容易出現超調或者振蕩。實際運用也表明，使用電子調速系統在空載和低負荷工況穩定性變差，不能很好的兼顧系統的動態、穩態性能的現象。針對燃氣發電機組的特點，本文提出了以負荷變化為輸入量進行控制的控制策略。

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

針對以上分析，確定了本次發電機組的頻率控制策略就是對天然氣發動機的進氣量進行控制，通過調節天然氣發動機節氣門開度來保證天然氣發動機轉速穩定，從而實現燃氣發電機組的頻率的穩定。

綜上所述，從燃氣發電機組入手，運用燃氣發電機組控制系統和天然氣發動機電控系統相關理論知識，進行了電控系統的總體設計和燃氣發電機組控制策略的研究。并對控制策略進行了仿真驗證，實現了在發電機用電負荷發生波動時，保證發動機的轉速穩定，使整個燃氣發電機組能夠穩定運行。

[1]李云龍.燃氣發電機組發動機電控系統控制策略研究[D].華中科技大學，2013.

[2]李建勛.氣體燃料發動機電控系統研究[D].長安大學，2007.

[3]寧想忠.燃氣發動機電控系統通信協議的實現[D].華南理工大學，2014.