大型燃氣機組起動原理和變頻起動控制策略

云恩錄

摘 要：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。

關鍵詞：大型 燃氣機組 起動 變頻起動

1、燃氣發動機的工作特性

燃氣發電機組動力的工作過程是一個周期性的過程，由于其發出的能量都是一個斷續的能量，因此，燃氣發動機的進氣量并不能夠對其進行瞬時穩定的調節。此外，燃氣發動機的每一個工作循環中，諸如溫度、過量空氣系數、扭矩、有效功率、曲軸角速度、以及執行機構等等的參數都可以將其體現出來。如果，上述的參數都能在一個定值范圍內保持穩定時，我們就把這樣的一個工作情況稱之為穩定工況。只有當負載裝置所耗去的能量與燃氣機所提供的能量持平時，它才能保持在一個穩定工況下運行。

2、燃氣發電機組工作原理與控制過程分析

發電機組工作原理為：發電機組控制器接收到開機指令，使繼電器吸合，啟動電機啟動，啟動電機帶動發動機運轉。當發動機工作時，活塞通過連桿推動曲軸旋轉，由于無刷同步電機和曲軸同軸，無刷同步電機旋轉工作產生感應電動勢。調速模塊接到曲軸轉速傳感器的信號之后，經過調速ECU處理之后，給節氣門一開度指令信號，發動機根據節氣門開度的大小將混合器處理之后的混合氣吸入發電機組。點火模塊接到凸輪軸轉速傳感器的信號之后，經過點火ECU處理之后，給各個缸的點火執行器（高壓包、阻尼線和火花塞）點火指令。另發電機組上有油壓傳感器、水溫傳感器、充電電機和蓄電池。

并機控制器通過控制電子調速器和電子調壓器以控制每臺發電機組的轉速和輸出電壓，從而控制發電機組的并機、負載轉移和機組卸載解列操作。

電子調速器是一個采用負反饋的自動控制調節系統，給定預設基準轉速，如1500rpm，結合轉速微調信號給出預期的目標值，將轉速目標值和轉速傳感器測到的實際轉速做差，將偏差值輸給調速控制器，調速控制器給節氣門對應的開度信號，根據進氣門開度將混合氣吸入缸內燃燒，發動機通過曲軸將轉速輸出。

同步電機是通過轉速和勵磁繞組產生了感應電動勢，電機轉速由發動機提供。并機控制系統采用的電子調壓器是三相半波晶閘管型自動調壓器（AVR），為無刷發電機勵磁系統中的一部分。電子調壓器通過控制勵磁磁場以提供一個閉環控制，控制輸出電壓在±1%的范圍內變化。

自動調壓器主要由測量比較環節、誤差信號調節環節、觸發脈沖形成環節和晶閘管整流環節組成。測量比較環節是將發電機的端電壓進行采集，采集流程為降壓、整流和濾波。比較環節是通過比較電路，將電壓值和預期電壓值進行比較，輸出誤差。誤差信號調節環節是接受前一環節傳遞的誤差信號，將誤差信號發大，然后經過PID的調節，輸出控制信號。觸發脈沖形成環節和晶閘管整流環節是將PID處理出的控制信號輸出執行。

3、控制系統結構設計及其工作原理分析

（1）完成嫌氣發電機組的運行控制，遠程啟動和關閉發電機組，當需要增加帶載機組時，檢測發電機組并機條件，自動實現發電機組的自動同步并機、機組卸載解列；

（2）實現對發動機轉速的自動電子調速，使發動機的轉速穩定在設定的工作轉速下，在功率轉移時根據要求改變轉速；

（3）實現對勵磁電流的自動調節，控制發電機的端電壓穩定，合理分配發電機組的無功功率；

（4）監控發電機組工作狀態，實現對發電機組故障顯示和故障保護等的自動控制。目前市場上的并機控制器，均采用每一臺發電機組配置一臺并機控制器，每一臺并機控制器均可以作為并機的主控制器，確定各臺發電機組的開機順序，調度各臺發電機組的負載，分配各臺發電機組的有功功率和無功功率。單臺并機控制器的價格是單機組控制器價格的5倍，所以為了降低成本，采用一臺總的并機控制器與各發電機組的單機組控制器通訊，從而使各發電機組按開機累計時間長短的順序啟動，調度各臺發電機組的負載，分配各臺發電機組的有功功率和無功功率，在實現并機控制功能的同時，大大縮小了并機控制器的成本。控制策略由并機控制器算出，單機組控制器執行并機數據采集、啟動/停止操作和調壓調速操作。通訊準備采用現場總線中的控制局域網（CAN）通訊方式，該方式因為可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強、通信實時性好、系統造價和維護成本低等特點，而被廣泛用于離散控制領域。

單機組控制器有采集電壓、電流相應的接口、采集電路、軟件程序和可被控制協議，可以由單機組控制器執行電壓、電流的采集工作；單機組控制器有繼電器相應的接口、驅動電路、軟件程序和可被控制協議，可以由單機組控制器執行合閘驅動工作。所以并機控制器上的采集和驅動功能可以由單機組控制器完成，并機控制器只需通過CAN總線通訊向單機組控制器下達命令即可；單機組控制器沒有調壓器和調速器相關的軟硬件和可被控制協議，所以只能由并機控制器提供其軟硬件，完成調壓調速功能；單機組控制器也沒有CAN通訊的軟硬件，但是有RS485接口，所以并機控制器可以通過485接口和單機組控制器通訊。

控制系統的組成結構為：采集母線電壓和執行調壓調速驅動電路的并機控制器；調壓調速的電子調壓器和電子調速器、采集三項電壓電流和執行開機停機合閘操作的單機組控制器；和用于連接并機控制器與單機組控制器的CAN通訊網絡。此控制系統的工作特點為采集電壓和電流由單機組控制器采集，合閘和開機操作也由單機組控制器完成，采集后信號由RS485轉CAN傳輸給并機控制器，并機控制器將合閘和開機指令經由CAN轉RS485傳遞給單機組控制器，這一并機控制器省去了隨著被控機組個數增多而添加的多組電壓電流采集電路和開機停機合閘分閘用的驅動電路。

（1）第一臺機組帶載準備

發電機組并機之前，并機控制器挑選一臺累積啟動時間最少的發電機組起機，發電機組的調壓器和調速器分別控制各自發電機組，穩定輸出單項電壓為220V和穩定轉速在15OOr/min。

（2）第二臺機組帶載準備

當并機控制器通過判斷發現：需求功率超過一臺發電機組額定功率的80%時，啟動另一臺累積啟動時間最少的發電機組，準備并機操作。

（3）并機操作

并機控制器不斷地通過CAN總線和RS485信號線向兩臺發電機組控制器讀取電壓、頻率和相位的信號（傳遞過程為：該信號經過CAN總線，再經過RS485-CAN轉換器，在經過RS485信號線傳輸到兩臺發電機組控制器：兩臺發電機組控制器再通過RS485信號線、RS485-CAN轉換器和CAN總線將所需信號傳回給發電機組控制器）。并機控制器根據控制策略給兩臺發電機組的調速器和調壓器發出控制信號，當滿足并機條件時，給待并機發電機組控制器發出合閘指令，完成并機操作，交流接觸器可以快速合閘，發電機組的三相四線電與電網接通。

（4）功率轉移分配

穩定運行時，并機控制器根據控制策略給兩臺發電機組的調速器和調壓器發出控制信號，從而對兩臺發電機組間的有功功率和無功功率進行分配及轉移。

（5）機組解列卸載

當并機控制器通過判斷發現：需求功率小于單臺發電機組額定功率的60%時，根據策略選擇一臺發電機組，轉移負載，解列停機。

4、結語

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。

參考文獻

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