某微型燃氣輪機發電機組控制器的設計

楊秀濤

（貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽 550009）

0 引言

燃氣輪機發電機組（以下簡稱機組）是一種由燃氣輪機、發電機和數字控制器等部分組成的發電動力裝置，它具有體積小、重量輕、啟動快、效率高、可遙控等一系列優點，具有很好的民用需求前景和軍事應用價值[1]。本文涉及的燃氣輪機屬于某武器系統的地面供電設備，主要為地面發射車、雷達車等設施供電。

控制系統是燃氣輪機發電機組的重要組成部分，其主要負責機組狀態監測、啟動控制、轉速控制、故障檢測、停機控制等。控制系統不僅要有邏輯控制，還有復雜的過程控制、各種嚴格的保護控制等等。燃氣輪機屬于結構復雜的產品，整機價格相對昂貴，運行過程中如果發生意外事故，則會造成重大損失[2]。因此，燃氣輪機發電機組控制系統在安全性、可靠性方面要求要高得多。在一定程度上，控制系統決定了機組運行的經濟性、安全性、可用率以及變工況運行的性能等指標。

本文在分析某燃氣輪機發電機組工作原理以及運行過程的基礎上，對該機組控制器進行了設計與開發。該控制器用于燃氣輪機發電機組在啟動和運行過程中監測溫度、轉速、燃油壓力、滑油壓力等參數，以實現對燃氣輪機發電機組的啟動控制、轉速控制、故障保護、停機控制等功能。

圖1 燃氣輪機發電機組控制系統的原理框圖

1 燃氣輪機發電機組控制系統概述

1.1 機組控制系統工作原理

控制系統原理框圖如圖1所示。該燃氣輪機發電機組控制系統的主控制器通過外部電纜與本地監控臺以及遠程遙控臺進行連接，控制器通過識別操作人員發送的控制指令，以及溫度、轉速等傳感器采集到的各種現場數據，按照一定的控制算法進行運算，輸出控制信號，驅動各種執行機構，實現對發電機組的冷轉、啟動、負載運行、停機等控制。同時主控制器能實現對機組運行過程中的故障進行檢測，并實時通過通訊接口傳輸到監控臺進行顯示，可確保發電機組安全、可靠的運行。

1.2 控制器設計要求

根據燃氣輪機發電機組實際運行需求，控制器應當具備以下功能。

（1）上電自檢：控制器上電后，控制器能夠進行系統自檢，自檢合格后進入工作狀態。如果自檢不合格，則報警提示。

（2）指令響應與輸出控制：控制器能夠接收控制臺指令，完成燃氣輪機組的開艙蓋、關艙蓋、冷轉、啟動、停機等操作。

（3）參數檢測：控制器在啟動和運行過程中能夠檢測進氣溫度、排氣溫度、滑油溫度、轉速。

（4）排氣溫度和轉速控制：在啟動過程階段，在保證機組排氣溫度不超過750℃的前提下，以保證啟動時間在40s～50s。在正常運行段，將機組轉速控制在100±1%穩態范圍內。當機組負載發生變化時，控制器要能夠讓機組在盡量短的時間內恢復穩態。

（5）機組安全控制：機組在啟動和運行過程中出現故障信息時，控制器要能夠及時報警和停機。

（6）數據通訊：控制器能夠按規定數據傳輸格式，將機組排氣溫度、滑油溫度、轉速和故障信息實時傳輸到監控臺進行顯示。

2 機組控制策略分析

燃氣輪機發電機組運行過程中包括啟動控制、轉速控制、停機控制、故障監測控制等。而啟動控制、發電過程的轉速控制是機組控制系統的關鍵，控制策略是否合理將直接影響到機組的運行效果。

2.1 啟動過程控制

機組的啟動過程是系統啟動檢查、電機啟動、燃機點火、暖機和加速到空載額定轉速的過程，其中包含了對一系列執行機構的控制。

在允許機組啟動前，控制系統應確保機組當前轉速為零，且無系統故障存在，此時控制系統向監控臺發出“允許啟動”信號。

控制系統接收到監控臺“啟動命令”后，開始接通啟動電機、注油泵、電加熱器等，機組啟動初始由蓄電池組供電，此時的發電機作為電動機使用；當電機速度達到燃機點火轉速時，接通燃油電磁閥和點火裝置進行燃機點火，進入暖機和加速階段，為確保機組在啟動過程中排氣溫度不超標，需要實時監測排氣溫度并對燃油電磁閥供油量進行調節；當電機速度達到燃機額定發電轉速時，斷開啟動電機、電加熱器和點火裝置，發電機失去電動機功能即完成脫開功能，系統進入發電狀態，燃機啟動過程結束。

在啟動過程階段，控制器要實時監測機組排氣溫度，并對電液伺服閥進行實時調整。

2.2 發電過程轉速控制

在機組發電運行過程中，當機組負荷突增或突減時，機組轉速會隨負荷的變化而變化，此時需要實時調節電液伺服閥進行減油或加油控制，讓機組轉速在盡量短的時間內恢復穩態。為保證機組安全和發電的質量，要求燃氣輪機轉速調節有較高動態性能，如響應速度快、超調量小、穩定時間短、魯棒性好等。

在轉速控制系統中，通常采用常規PID控制器。控制器根據被控對象的不同，可適當調節相應的PID參數。這種控制方式在系統模型為非時變的情況下可以獲得較好的控制效果，并且其魯棒性較強[3-4]。但本文所研究的燃氣輪機發電機組是一個具有多變量、強干擾、參數變化較大的時變系統，機組會在不同的氣候條件、環境溫度下工作，環境工況多變[5]。在這種情況下，采用常規PID控制器難以獲得滿意的控制效果。本文采用模糊推理的方法實現對PID參數的在線自動整定，并依此設計出用于燃氣輪機轉速控制系統的模糊參數自整定PID控制器。

參數自整定模糊PID控制器的系統結構主要由參數可調PID和模糊推理系統兩個部分，如圖2所示，本文以燃氣輪機發電機組轉速誤差e和誤差的變化率ec作為輸入，利用模糊控制規則在機組運行過程中對控制器的PID參數進行修改，使得KP、KI、KD三個參數隨著e和ec的變化自行調整。

圖2 模糊PID控制器結構圖

控制器根據數據采集單元獲取的實時轉速，計算出相鄰采樣點的誤差e和誤差的變化率ec，根據經驗，KP、KI、KD三個參數整定原則如下[6-7]：

當偏差e較大時，誤差較大，為使系統有較快的響應速度，應取較大的KP；為了防止偏差變化率ec瞬時過大，應取較小的KD；為了避免較大的超調，應對積分作用加以限制，通常取KI=0。

當e中等大小時，為減小系統的超調量，保證一定的響應速度，KP應適當減小，同對KI、KD取值大小要適中。

當e較小時，為了減小穩態誤差，KP、KI應取得大些，為了避免輸出響應在設定值附近振蕩，同時考慮系統的抗干擾性能，KD的取值要適當。KD值的選擇根據偏差變化率ec來確定，當ec較大時，KD取較小值，當ec值較小時，KD取較大值,一般情況下，KD為中等大小。

文中采用數字增量式PID控制器算法：u(k)=u(k-1)+Δu(k)，其中Δu(k)為控制增量，對應的是本次執行機構位置的增量，其計算式如下[8]：

其中e(k)、e(k-1)、e(k-2)分別為第k次、k-1次和k-2次的偏差值。

3 控制器的設計與實現

3.1 硬件設計

發電機組控制器硬件功能結構如圖3所示。控制器主要由主控單元模塊、光耦輸入隔離模塊、二次電源模塊、信號調理模塊、數據采集模塊、光隔離輸出模塊、電磁閥驅動電路模塊組成。

圖3 功能組成示意圖

（1）主控模塊

主控制模塊由主處理器電路、復位電路、通訊接口等電路模塊組成，主要實現開關量信號檢測、數據分析、流程控制、總線通訊等功能。

（2）二次電源模塊

二次電源為信號調理模塊、主控模塊等電路提供工作電源，包括5 V、12 V、±15 V電源。

（3）信號調理模塊

信號調理模塊主要對溫度、轉速傳感器的信號進行變換、隔離、濾波等處理，使調理后的信號滿足數據采集模塊的要求。

（4）開關量信號輸入輸出模塊

燃氣輪機組外部開關量輸入范圍為15～30 V，要求的輸出驅動電路額定電壓27 V。而內部控制器自身工作電壓為5 V，為保證外部信號不對控制器干擾或損壞，因此需要進行電氣隔離。控制器采用光耦和固體繼電器進行電氣隔離。相對于電磁繼電器等機械式隔離元器件，光隔離元器件具有體積小、抗干擾能力強、響應速度快、工作穩定、使用壽命長、可靠性高等特點。

（5）電液伺服閥驅動電路

該電路負責供油系統中電液伺服閥的調節，通過調節閥門的開度來控制供油量，調節方式采用PWM脈寬調制技術。由于PWM控制形成的脈沖信號使電液伺服閥始終保持在振動狀態，形成動力潤滑，從而消除了閥門的啟動電壓，使控制更加流暢平穩。

圖4 控制器軟件結構

3.2 軟件設計

控制器軟件一方面負責燃氣輪機組溫度信號、轉速信號的數據處理與分析，實現發動機組啟動控制、轉速控制等控制流程；另一方面負責控制指令的發送與接收，并實時監測機組故障信號并采取相應保護措施。

控制器軟件采用C語言進行編寫，軟件運行的硬件平臺為Atmega640控制器，采用AVR公司推出的Atmel Stu?dio6.0進行開發和設計。

3.2.1 軟件結構

根據控制器的功能需求，結合硬件系統設計，將控制器軟件劃分為以下幾個功能模塊，如圖4所示。

主程序模塊實現系統硬件初始化、系統自檢、啟動信號判斷、本控和遙控識別、溫度監測、轉速監測、燃油調節、故障實時監測；數據存儲模塊記錄機組運行過程中的一些重要參數，并且在系統斷電后不丟失；開關蓋程序模塊實現燃氣輪機組艙蓋的打開與關閉控制；啟動與停機控制模塊實現機組冷轉、啟動、負載接通與斷開、停機等控制；查詢模塊則根據監控臺指令，返回溫度、轉速、故障信號、工作時間等信息；故障處理模塊根據當前故障類型進行報警或存儲，并可接收控制臺指令進行故障清除；定時器模塊包括4個定時器，負責產生通訊時序（50 Hz序列）、開關蓋時間計時、啟動時間計時、1 Hz報警信號等。

3.2.2 主程序流程

控制系統主程序流程如圖5所示。具體執行方式如下：

（1）控制系統上電進行初始化后，首先進行系統自檢，若自檢合格則繼續執行后續程序，否則報警提示；

（2）自檢合格后，首先獲取存儲在EEPROM中的歷史故障信息，然后再進行滑油溫度、排氣溫度、進氣溫度、轉速測量以及實時故障檢測；

（3）如果發電機組當前轉速為零且無故障信息，則允許機組啟動指示燈亮；

（4）控制器將當前溫度、轉速、故障信息發送到操控臺進行更新顯示；

（5）控制系統等待操控臺的指令，以中斷方式響應。

圖5 主程序流程

4 機組實際運行效果分析

4.1 啟動控制運行效果

控制器在啟動運行階段，需要根據采集到的轉速和排氣溫度值，正確接通啟動電機、限流電阻、電機勵磁、注油泵和電磁閥等執行機構。同時指令輸出與指令撤銷的時間點要滿足要求，否則會造成機組不能啟動。

為驗證該控制器對機組啟動過程的指令加載情況，可通過監測啟動電壓來觀察判斷。啟動曲線如圖6所示，圖中橫坐標為時間點，縱坐標為啟動電壓。

圖6 啟動過程的啟動電壓曲線

通過觀察圖中啟動電壓的轉折點時刻，可判斷機組控制信號是否正確輸出。如在開始啟動1 s時刻，機組接通啟動電機，此時啟動電壓降低；在5 s時刻機組解除限流電阻，啟動電壓緩慢上升；在11 s時刻，機組接通啟動電機勵磁；在26 s時刻，機組斷開啟動電機、電機勵磁，此時啟動電壓恢復。

從該燃氣輪機發電機組啟動電壓監測曲線看出，控制器能夠正確的對機組各執行機構進行順序控制，并在40 s左右時間完成機組啟動。

4.2 變負荷工況下的運行效果

在實際運行過程中，由于電力負荷經常變動，發電機組經常在非額定工況或部分負荷情況下運行，為保證機組發出電能的電壓和頻率穩定，因此要求機組具有變工況下的運行穩定性。

試驗所使用的發電機組額定功率為75 kW，輸出電壓為交流220 V∕400 Hz。圖7和圖8是機組在100%負載突加和100%負載突減時的機組發電頻率瞬態響應曲線，其中橫坐標為響應時間(s)，縱坐標為當前發電機組輸出頻率(Hz)。

圖7 100%負載突加時發電頻率曲線

圖8 100%負載突減時發電頻率曲線

從圖7可以看出，當機組100%負載突加時，由于燃機的轉速會突降，從而導致機組發電頻率有所下滑到393 Hz左右，此時控制器根據轉速偏差，對機組電磁閥進行快速調整，增加系統供油量，使發電機組4 s后發電頻率恢復到400 Hz附近。

從圖8可以看出，當機組100%負載突減時，由于燃機的轉速會突增，從而導致機組發電頻率有所上升到405 Hz左右，此時控制器根據轉速偏差，對機組電磁閥進行快速調整，減小系統供油量，使發電機組5 s后發電頻率恢復到400 Hz附近。

從機組發電頻率瞬態響應曲線可以看出，當發電機組輸出頻率發生變化時，控制器能夠讓燃氣輪機轉速平穩、快速恢復，控制效果較為理想。

5 結論

本文針對某微型燃氣輪機發電機組控制系統的設計需求，對機組控制系統工作原理和特點進行了分析，重點對機組啟動控制、轉速控制策略進行了研究，并設計了一個集數據采集、程序控制、故障檢測與一體的控制器。經機組運行測試表明，該控制器滿足燃氣輪機發電機組控制系統設計要求，具備良好的快速響應能力和環境適應能力，具有很好的應用前景。