大型燃气机组起动原理和变频起动控制策略

云恩录

摘 要：随着能源短缺和环境污染问题突出，清洁能源的开发研究和电控技术越来越受到关注。燃气发电机组利用天然气发动机提供动力驱动发电机发电，其发电频率大小及稳定性是供电质量的重要指标，而燃气发电机组的频率控制主要是通过天然气发动机转速控制来实现的。

关键词：大型 燃气机组 起动 变频起动

1、燃气发动机的工作特性

燃气发电机组动力的工作过程是一个周期性的过程，由于其发出的能量都是一个断续的能量，因此，燃气发动机的进气量并不能够对其进行瞬时稳定的调节。此外，燃气发动机的每一个工作循环中，诸如温度、过量空气系数、扭矩、有效功率、曲轴角速度、以及执行机构等等的参数都可以将其体现出来。如果，上述的参数都能在一个定值范围内保持稳定时，我们就把这样的一个工作情况称之为稳定工况。只有当负载装置所耗去的能量与燃气机所提供的能量持平时，它才能保持在一个稳定工况下运行。

2、燃气发电机组工作原理与控制过程分析

發电机组工作原理为：发电机组控制器接收到开机指令，使继电器吸合，启动电机启动，启动电机带动发动机运转。当发动机工作时，活塞通过连杆推动曲轴旋转，由于无刷同步电机和曲轴同轴，无刷同步电机旋转工作产生感应电动势。调速模块接到曲轴转速传感器的信号之后，经过调速ECU处理之后，给节气门一开度指令信号，发动机根据节气门开度的大小将混合器处理之后的混合气吸入发电机组。点火模块接到凸轮轴转速传感器的信号之后，经过点火ECU处理之后，给各个缸的点火执行器（高压包、阻尼线和火花塞）点火指令。另发电机组上有油压传感器、水温传感器、充电电机和蓄电池。

并机控制器通过控制电子调速器和电子调压器以控制每台发电机组的转速和输出电压，从而控制发电机组的并机、负载转移和机组卸载解列操作。

电子调速器是一个采用负反馈的自动控制调节系统，给定预设基准转速，如1500rpm，结合转速微调信号给出预期的目标值，将转速目标值和转速传感器测到的实际转速做差，将偏差值输给调速控制器，调速控制器给节气门对应的开度信号，根据进气门开度将混合气吸入缸内燃烧，发动机通过曲轴将转速输出。

同步电机是通过转速和励磁绕组产生了感应电动势，电机转速由发动机提供。并机控制系统采用的电子调压器是三相半波晶闸管型自动调压器（AVR），为无刷发电机励磁系统中的一部分。电子调压器通过控制励磁磁场以提供一个闭环控制，控制输出电压在±1%的范围内变化。

自动调压器主要由测量比较环节、误差信号调节环节、触发脉冲形成环节和晶闸管整流环节组成。测量比较环节是将发电机的端电压进行采集，采集流程为降压、整流和滤波。比较环节是通过比较电路，将电压值和预期电压值进行比较，输出误差。误差信号调节环节是接受前一环节传递的误差信号，将误差信号发大，然后经过PID的调节，输出控制信号。触发脉冲形成环节和晶闸管整流环节是将PID处理出的控制信号输出执行。

3、控制系统结构设计及其工作原理分析

（1）完成嫌气发电机组的运行控制，远程启动和关闭发电机组，当需要增加带载机组时，检测发电机组并机条件，自动实现发电机组的自动同步并机、机组卸载解列；

（2）实现对发动机转速的自动电子调速，使发动机的转速稳定在设定的工作转速下，在功率转移时根据要求改变转速；

（3）实现对励磁电流的自动调节，控制发电机的端电压稳定，合理分配发电机组的无功功率；

（4）监控发电机组工作状态，实现对发电机组故障显示和故障保护等的自动控制。目前市场上的并机控制器，均采用每一台发电机组配置一台并机控制器，每一台并机控制器均可以作为并机的主控制器，确定各台发电机组的开机顺序，调度各台发电机组的负载，分配各台发电机组的有功功率和无功功率。单台并机控制器的价格是单机组控制器价格的5倍，所以为了降低成本，采用一台总的并机控制器与各发电机组的单机组控制器通讯，从而使各发电机组按开机累计时间长短的顺序启动，调度各台发电机组的负载，分配各台发电机组的有功功率和无功功率，在实现并机控制功能的同时，大大缩小了并机控制器的成本。控制策略由并机控制器算出，单机组控制器执行并机数据采集、启动/停止操作和调压调速操作。通讯准备采用现场总线中的控制局域网（CAN）通讯方式，该方式因为可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信实时性好、系统造价和维护成本低等特点，而被广泛用于离散控制领域。

单机组控制器有采集电压、电流相应的接口、采集电路、软件程序和可被控制协议，可以由单机组控制器执行电压、电流的采集工作；单机组控制器有继电器相应的接口、驱动电路、软件程序和可被控制协议，可以由单机组控制器执行合闸驱动工作。所以并机控制器上的采集和驱动功能可以由单机组控制器完成，并机控制器只需通过CAN总线通讯向单机组控制器下达命令即可；单机组控制器没有调压器和调速器相关的软硬件和可被控制协议，所以只能由并机控制器提供其软硬件，完成调压调速功能；单机组控制器也没有CAN通讯的软硬件，但是有RS485接口，所以并机控制器可以通过485接口和单机组控制器通讯。

控制系统的组成结构为：采集母线电压和执行调压调速驱动电路的并机控制器；调压调速的电子调压器和电子调速器、采集三项电压电流和执行开机停机合闸操作的单机组控制器；和用于连接并机控制器与单机组控制器的CAN通讯网络。此控制系统的工作特点为采集电压和电流由单机组控制器采集，合闸和开机操作也由单机组控制器完成，采集后信号由RS485转CAN传输给并机控制器，并机控制器将合闸和开机指令经由CAN转RS485传递给单机组控制器，这一并机控制器省去了随着被控机组个数增多而添加的多组电压电流采集电路和开机停机合闸分闸用的驱动电路。

（1）第一台机组带载准备

发电机组并机之前，并机控制器挑选一台累积启动时间最少的发电机组起机，发电机组的调压器和调速器分别控制各自发电机组，稳定输出单项电压为220V和稳定转速在15OOr/min。

（2）第二台机组带载准备

当并机控制器通过判断发现：需求功率超过一台发电机组额定功率的80%时，启动另一台累积启动时间最少的发电机组，准备并机操作。

（3）并机操作

并机控制器不断地通过CAN总线和RS485信号线向两台发电机组控制器读取电压、频率和相位的信号（传递过程为：该信号经过CAN总线，再经过RS485-CAN转换器，在经过RS485信号线传输到两台发电机组控制器：两台发电机组控制器再通过RS485信号线、RS485-CAN转换器和CAN总线将所需信号传回给发电机组控制器）。并机控制器根据控制策略给两台发电机组的调速器和调压器发出控制信号，当满足并机条件时，给待并机发电机组控制器发出合闸指令，完成并机操作，交流接触器可以快速合闸，发电机组的三相四线电与电网接通。

（4）功率转移分配

稳定运行时，并机控制器根据控制策略给两台发电机组的调速器和调压器发出控制信号，从而对两台发电机组间的有功功率和无功功率进行分配及转移。

（5）机组解列卸载

当并机控制器通过判断发现：需求功率小于单台发电机组额定功率的60%时，根据策略选择一台发电机组，转移负载，解列停机。

4、结语

从燃气发电机组入手，运用燃气发电机组控制系统和天然气发动机电控系统相关理论知识，进行了电控系统的总体设计和燃气发电机组控制策略的研究保证发动机的转速稳定，使整个燃气发电机组能够稳定运行。

参考文献

[1]李云龙.燃气发电机组发动机电控系统控制策略研究[D].华中科技大学，2013.

[2]姜浩，李勇，曹勇.燃气发电机组控制系统设计[J].机械与电子，2011，09：45-47.

[3]邓雪松.燃气发电机组调速控制系统设计及应用[J].柴油机，2012，04：18-19+56.