禹永博 张大林

沈阳燃气有限公司

燃气发电机组发动机电控系统控制策略研究

禹永博 张大林

沈阳燃气有限公司

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。因此，本文针对以天然气为燃料、由火花点火发动机驱动的发电机组进行电控系统总体设计，包括燃气发动机的建模与仿真、燃气发电机组控制策略的设计、燃气发电机组控制系统仿真等。

燃气发电机组；机电系统；控制

能源和环境是本世纪最具挑战性的问题之一。国际能源机构最近发表的报告指出，全球能源供应状况急需改善，各国政府应该控制能源需求，减少温室气体排放。随着我国经济快速发展和人民生活水平的提高，我国对石油等资源的需求不断增加，从1993年开始就由石油净出口国变为净进口国，对外的依存度逐年提高，目前已经达到50%以上，所以替代能源的发展对我国来说十分迫切和重要。天然气是继煤和石油之后的第三大能源，具有资源储藏量丰富、价格便宜、污染小使用性能好等优点得到了广泛的利用。根据国际权威机构预测，未来二十年内，天然气将超过石油，在全球能源结构中成为第一能源。

1 天然气发动机电控系统总体设计

1.1 工作原理

天然气发动机电控系统因具体应用情况的不同而不同，有各种相应不同的结构组成形式，应该根据发动机的结构性能水平、使用的环境条件、还有各种要求的侧重点和排放法规的严格程度等多种因素来确定所采用的燃气喷射和点火系统的结构配置。

天然气发动机电控系统主要由信号输入装置、电控单元和执行器组成。传感器采集各种信号比如进气温度压力、节气门开度、转速等传递给ECU，ECU进行分析计算确定控制方法，然后发出信号给执行器，包括喷气阀、点火器和电子节气门体驱动电机等，从而实现控制功能。

天然气喷射系统根据进入气缸内的空气质量提供与之相适应的天然气，从而控制混合气的空燃比，满足发动机的工况需求；点火系统通过调整点火正时，保证火花塞的能量，使燃烧过程正常进行；电子节气门体通过调节节气门开度来实现发动机在不同工况下的优化控制，提高发动机性能；在闭环控制中，排气中氧传感器产生的信号反馈给电子控制单元，从而提高控制精度。

从结构上来看，天然气发动机电控系统主要由三个部分组成，空气进气系统、天然气供给系统和电子控制系统。

1.2 控制系统

1)空气进气系统

空气进气系统的主要作用是根据发动机不同工况的要求，调节或者控制进入气缸的空气量，使其与该工况下燃烧所需要的燃料相匹配。

天然气发动机进气系统由空气滤清器，电子节气门体，节气门位置传感器等组成。空气滤清器的作用是保证清洁的空气进入气缸；电子节气门体的功能是控制发动机工作时的进气量，电控单元通过驱动步进电机控制调节其角度开度来调节进入发动机的空气量，从而控制发动机的转速和输出功率；节气门位置传感器检测节气门开度，并将信号传递给电控单元。

2)天然气供给系统

天然气发动机供气系统的布置如图所示：所使用的天然气是经过加工过的压缩天然气，压力可以达到20MPa，此压缩的天然气的气源是由瓶装天然气提供的。天然气供气系统主要包括以下几个部分：气瓶、天然气滤清器、调压阀、连接管路和燃气喷射电磁阀等。

天然气供气过程：储存在气瓶中的压缩天然气经过气瓶阀门，滤清器向调压装置提供压力为20MPa左右的高压压缩天然气，经过两级调压之后进入减压阀，天然气在减压阀内减压膨胀，压力降到一定值，并保持恒定。这个压力直接作用在整个低压组件上，包括电磁喷射阀所在的气轨。电磁喷射阀按照电控单元ECU的指令开关，将适量天然气按照发动机工况喷入进气道。

2 燃气发电机组控制策略设计

燃气发电机组在使用时需要满足供电指标，而机组的发电频率大小以及稳定性是其供电质量的重要内容，因此将供电频率维持在允许的范围内是发电机组控制系统的主要任务之一。

通常，燃气发电机组频率控制的方法是用调速器维持发动机的转速恒定在一定范围内，以此实现发电频率稳定。但是一般使用的调速器稳定时间较长，引起的超调较大，特别是当系统启动或者负载变化范围较大时，系统容易出现超调或者振荡。实际运用也表明，使用电子调速系统在空载和低负荷工况稳定性变差，不能很好的兼顾系统的动态、稳态性能的现象。针对燃气发电机组的特点，本文提出了以负荷变化为输入量进行控制的控制策略。

燃气发电机组中，天然气发动机为原动机带动同步发电机发出电力，控制系统对机组电压、发电频率及机组状态进行监控。在稳定工况下，天然气发动机作用在发电机上的转矩等于负载在发电机上产生的阻力矩(即电磁力矩)。此时，发动机的节气门开度一定，转速稳定，发电频率也保持稳定状态。当用电负荷改变，负载电流也随之变化，引起发电机内电磁转矩大小发生改变，力矩不再平衡，就会造成转速开始产生相应的加速或者减速，使频率发生波动。此时，为了维持发电机发电频率稳定，必须及时改变发动机节气门开度，相应增大或者减小混合气量，以提供相应的转矩来维持转矩平衡。因此，频率控制就是在负载扰动及其他随机干扰使频率发生波动时调节节气门开度，使频率稳定在一定范围内。

针对以上分析，确定了本次发电机组的频率控制策略就是对天然气发动机的进气量进行控制，通过调节天然气发动机节气门开度来保证天然气发动机转速稳定，从而实现燃气发电机组的频率的稳定。

综上所述，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。并对控制策略进行了仿真验证，实现了在发电机用电负荷发生波动时，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。

[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]李建勋.气体燃料发动机电控系统研究[D].长安大学，2007.

[3]宁想忠.燃气发动机电控系统通信协议的实现[D].华南理工大学，2014.