分布式天然氣發電機組控制系統設計及實驗研究*

季魁玉紀少波程勇趙盛晉秦皓晟（-勝利油田勝利動力機械集團有限公司山東東營57000-山東大學能源與動力工程學院）

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分布式天然氣發電機組控制系統設計及實驗研究*

季魁玉1紀少波2程勇2趙盛晉2秦皓晟2
（1-勝利油田勝利動力機械集團有限公司山東東營2570002-山東大學能源與動力工程學院）

天然氣作為一種高效、安全、儲量豐富的清潔能源現已進入了人們的視野。由于分布式發電機組具有體積小、移動方便、成本低等特點，因此對分布式發電機組開展研究具有重要的經濟意義和社會效益。以小型氣體燃料發動機為研究對象，開發了適用的控制系統，實現了氣體機的點火控制及調速控制。基于該控制系統進行了實機實驗，研究結果表明，開發的系統在瞬態調整率、穩態調整率、頻率波動率及達到穩態所需時間等方面均滿足國標要求。

天然氣發電機組點火控制速度調節

引言

隨著經濟和社會的發展，世界范圍內對能源的需求量越來越大，煤和石油作為不可再生能源可供開采的量越來越少，同時煤和石油的燃燒帶來一系列的環境問題。而天然氣作為一種高效、安全、儲量豐富的清潔能源，現已進入人們的視野，并且天然氣發電在世界范圍內已經得到了日益廣泛的應用［1］。

分布式供電是相對于傳統的集中式供電而言的，它是指將發電系統以小規模（幾千瓦到50 MW）、分散式的方式布置于用戶附近［2］。分布式發電與集中式供電相比具有如下優點：采用能源就地供應、就地轉換的方式運行，不需要遠程供電和輸電設備，降低了輸送過程中的能量損耗；分布式供電系統具有體積小、移動方便、成本低等特點［3］。

目前，小型氣體機發電機組廠家考慮到成本等原因，采用的控制系統一般都由調速模塊和點火控制模塊兩個模塊組成，這兩個系統相互獨立且兩個系統一般都由不同的廠家提供［4］。由于調速和點火是由兩個系統配合工作，兩個系統的相互獨立會對發電機組性能的優化帶來不便。為了解決這一問題，本文根據天然氣發電機組工作的實際需要，開發了一套適用于小型天然氣發電機組的綜合調速和點火功能控制系統，該系統以英飛凌公司生產的XE164FN單片機為核心，以實現對小型天然氣發動機的點火和速度綜合控制為目的，對控制器的硬件進行了設計。本論文的研究內容對于小型天然氣發電機組控制系統的研制具有一定的借鑒意義。

1　控制系統功能需求

發電機組控制單元主要包含傳感器信號處理電路、微處理器、驅動電路及CAN通訊電路等部分組成。傳感器的信號處理電路包括模擬信號處理電路、脈沖信號處理電路及開關量信號處理電路，其中模擬信號處理電路主要用于處理節氣門位置、水溫、機油壓力、蓄電池電壓等信號。脈沖信號主要包括曲軸位置信號和凸輪軸位置信號。開關量信號主要為發動機啟動狀態信號。

控制系統單片機采用英飛凌XE164FN單片機，該單片機為16位單片機，其工作時鐘可達80 MHz。XE164FN具有較大的內部存儲器容量，同時芯片上具有多種控制功能模塊，資源豐富，因此在使用時無需過多外接其他的驅動芯片。XE164FN上具有2路CAN通訊，能夠實現對CAN總線數據的收發工作。XE164FN具有片上引導程序加載器和工業標準DAP和BDM接口，使產品硬件和軟件的調試更加快捷［5］。驅動電路主要是用于控制節氣門的位置及點火驅動。通過節氣門位置控制可以實現不同工況下對進氣的需要進行調節；通過控制點火線圈的閉合時間，從而控制點火時刻及點火能量。開發的硬件系統示意圖如圖1所示。

圖1　硬件系統設計

2　控制系統硬件設計

控制系統硬件電路主要包括電源電路、單片機及外圍電路、脈沖信號處理電路、模擬信號處理電路、電子節氣門驅動電路及點火驅動電路等部分。各部分的設計思路如下：

本系統的輸入電源為12 V，而系統中的部分電路需要5 V電源，為此本文設計了以TLE6365為核心的電源轉換電路。TLE6365是英飛凌公司生產的汽車級電源轉換芯片，能夠將電壓范圍為8 V～35 V的電壓穩定在4.75 V～5.25 V之間。單片機及外圍電路是指能夠使單片機正常運行的最小硬件單元電路。一般由以下幾部分組成：單片機及其濾波電路、晶振電路、復位電路、程序下載及調試電路。

本試驗中用的曲軸位置傳感器為磁電感應式，安裝于曲軸附近。凸輪信號傳感器采用霍爾式傳感器。信號在進入單片機之前先經過RC濾波消除干擾，而后經過TLC277的放大后進入帶滯環比較器的4093施密特觸發器進行整形，這個脈沖處理電路能夠有效地消除毛刺等其他干擾信號引起的信號失真，保證輸出波形的穩定。

試驗中需要對蓄電池電壓、機油壓力、冷卻水溫及節氣門位置等進行采集，控制系統單片機的模數轉換單元的量程是5 V，所以需要將各傳感器的信號轉換為0～5 V的模擬信號。蓄電池的電壓高，通過電阻分壓后進行采集。機油壓力傳感器輸出為0～5 V的電壓信號，可以直接進行采集。冷卻水溫傳感器多采用熱敏電阻［6］，本設計選用負溫度系數型熱敏電阻，通過精密電阻上拉至電源，將電阻信號轉化為電壓信號。電子節氣門位置反饋傳感器為無觸點雙電位計結構，傳感器同時輸出兩個呈反向變化的電壓信號。上述模擬信號都經過RC濾波電路處理，提高信噪比，此外，為了防止過壓對模數轉換芯片造成危害，增加了穩壓二極管起限壓保護作用。系統的啟動信號為開關量信號，輸入信號為12 V電平信號，通過三極管的開關特性將12 V電平轉化為5 V電平，并送入單片機。

控制系統采用M2C00型點火線圈，通過驅動電路來實現單片機控制信號到功率驅動信號的轉變，驅動芯片采用Fairchild公司生產的V5045S型IGBT。設計了保護電路，通過取樣電阻得到初級線圈電流，通過比較器及與門芯片在電流異常時保護驅動電路。IGBT的柵極電阻RG對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的開關時間和損耗；較小的RG會增大電流上升率，但容易使IGBT誤導通或損壞。對比不同柵極電阻對應的柵極電壓上升曲線，結果如圖2所示。經過長時間的測試，最終將RG取為5.1 Ω。

圖2　　不同RG值下IGBT的導通時間

在蓄電池電壓一定的情況下，點火線圈中次級線圈的點火能量與初級線圈的充電時間有關系［7］。

a）充電時間為1.4 ms

c）充電時間為6.5 ms

圖3為不同充電時間對應的初級線圈的電流上升曲線，由圖可見，隨著充電時間的增加，初級線圈的電流增大，考慮到充電時間過長點火線圈容易發熱，本研究中將最大充電時間定為6.5 ms。

本設計中的節氣門選用博世公司生產的DVE5型。為了能夠靈活地控制節氣門，本文選用能夠實現可逆PWM的H橋控制芯片L9958為電子節氣門控制芯片。該芯片能夠對直流電機進行控制，也能夠對步進電機進行控制。芯片中可以根據需要通過SPI總線設置芯片的驅動電流，其中最低驅動電流為2.5A，最高驅動電流可以達到8.6A［8］。

CAN總線是一種串行數據通信協議，由于其結構簡單可靠性高、傳輸速度快、擴展性強，得到了廣泛的應用。雖然XE164FN單片機內部集成了CAN模塊，但是由于不同CAN設備在接收和發送信號時所用的電平幅值有所不同，因此單片機CAN通訊需要外接一個電平轉換芯片。本文中采用了NXP半導體公司生產的高速CAN總線收發器TJA1040，傳輸速率高達1 Mbit/s滿足設計的要求。

圖3　點火線圈的充電特性

3　實驗驗證

本課題所研究的天然氣發電機組主要由：進氣系統、天然氣發動機、同步發電機、負載、控制系統以及PCI采集卡等幾部分組成。天然氣發電機組結構如圖4所示。試驗中的天然氣在經過減壓器和穩壓器后在混合器中與空氣混合而后通過電子節氣門進入發動機。上位機和下位機之間通過CAN卡進行通訊，同時在試驗過程中通過PCI采集卡對發動機的轉速信號進行高速采集和處理，試驗臺結構如圖5所示。

圖4　天然氣發電機組結構

圖5　試驗臺結構

研究用天然氣發動機是在全柴490的基礎上改裝而來，發動機參數如表1所示。

表1　天然氣發動機結構參數

國標規定電網的額定頻率值必須為50 Hz。同時國標還對機組的穩態調整率、瞬態調整率、穩定時間、波動率等提出了要求，具體要求如下表2所示。

表2　國標對發電機組控制參數的要求

因為本機組采用發動機與發電機直接相連的連接方式，為此發電機的輸出頻率（Hz）與內燃機的轉速（r/min）之間有如下關系：

式中：p為發電機的磁極對數，本試驗中所用發電機的磁極對數為2，為了能夠使發電機的發電頻率保持在50 Hz，氣體機的轉速必須穩定在1 500 r/min。

對發電機組的性能進行測試時以電爐子作為負載，通過改變接入的電爐子數目來對發電機組的狀態進行測試，負載如圖6所示。在負載調整過程中用采集卡對負載變化前后的發動機轉速進行采集和記錄，而后對采集的數據進行計算和分析，按照國標的要求得到穩態頻率調整率、頻率波動率、瞬態頻率調整率及頻率穩定時間。

圖6　發電機組負載

在實驗平臺上進行了連續3次加載及3次減載實驗，加載過程實驗曲線如圖7所示。由圖可見，當突加負載時，氣體機的轉速會突然下降，控制系統通過調整節氣門的開度，增加進氣量，將轉速穩定在1 500 r/min。

表3為加載過程各工況參數對比情況，由表可見，發電機組在加載過程中穩態調整率最大為-2.2%，最小為-2.0%；瞬態頻率調整率最大為-6.5%，最小為1.8%；頻率波動率最大為1.9%，最小為1.6%；達到穩定所需的時間最大為14.2 s，最小為1.8 s。上述參數均滿足國標規定的限值要求。

圖7　發電機組加載過程轉速變化曲線

表3　加載工況各參數對比

圖8為3次減載實驗過程的轉速曲線，由圖可見，當突減負載時，氣體機的轉速突然升高，進而在控制系統的作用下，通過調整節氣門開度將轉速穩定。

圖8　發電機組減載過程轉速變化曲線

表4為減載過程各工況參數對比情況，由表可見，發電機組減載過程中穩態調整率最大為2.4%，最小為-1.6%；瞬態頻率調整率最大為5.9%，最小為3.8%；頻率波動率最大為1.9%，最小為1.4%；達到穩

表4　減載工況各參數對比

定所需的時間最大為11.5 s，最小為3.1 s。上述參數均滿足國標規定的限值要求。

4　結論

1）本文根據天然氣發電機組的情況，選用英飛凌公司的16位單片機XE164FN作為主芯片，設計開發了分布式天然氣發電機組控制系統。

2）控制系統能夠對凸輪軸傳感器及曲軸傳感器等2路脈沖信號進行處理；NTC熱敏電阻、機油壓力傳感器、電子節氣門位置傳感器及蓄電池電壓等模擬信號進行采集；并實現對4路點火及1路電子節氣門的控制。

3）在由全柴490柴油機改進而來的天然氣發電機組上進行了試驗。試驗發現機組的穩態調整率最高為2.4%，瞬態調整率最高為-6.5%，頻率波動率最高為1.9%，達到穩態所需時間最長為14.2s，均符合國標要求。

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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

山東省自然科學基金（2013ZRE27215）和中國博士后基金項目（2015M572029）。

季魁玉（1962-），男，高級工程師，主要研究方向為氣體機工作過程分析。

紀少波（1979-），男，副教授，博士，主要研究方向為內燃機工作過程及測控技術。

（2015-10-23）