季魁玉纪少波程勇赵盛晋秦皓晟（-胜利油田胜利动力机械集团有限公司山东东营57000-山东大学能源与动力工程学院）



分布式天然气发电机组控制系统设计及实验研究*

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（1-胜利油田胜利动力机械集团有限公司山东东营2570002-山东大学能源与动力工程学院）

天然气作为一种高效、安全、储量丰富的清洁能源现已进入了人们的视野。由于分布式发电机组具有体积小、移动方便、成本低等特点，因此对分布式发电机组开展研究具有重要的经济意义和社会效益。以小型气体燃料发动机为研究对象，开发了适用的控制系统，实现了气体机的点火控制及调速控制。基于该控制系统进行了实机实验，研究结果表明，开发的系统在瞬态调整率、稳态调整率、频率波动率及达到稳态所需时间等方面均满足国标要求。

天然气发电机组点火控制速度调节

引言

随着经济和社会的发展，世界范围内对能源的需求量越来越大，煤和石油作为不可再生能源可供开采的量越来越少，同时煤和石油的燃烧带来一系列的环境问题。而天然气作为一种高效、安全、储量丰富的清洁能源，现已进入人们的视野，并且天然气发电在世界范围内已经得到了日益广泛的应用［1］。

分布式供电是相对于传统的集中式供电而言的，它是指将发电系统以小规模（几千瓦到50 MW）、分散式的方式布置于用户附近［2］。分布式发电与集中式供电相比具有如下优点：采用能源就地供应、就地转换的方式运行，不需要远程供电和输电设备，降低了输送过程中的能量损耗；分布式供电系统具有体积小、移动方便、成本低等特点［3］。

目前，小型气体机发电机组厂家考虑到成本等原因，采用的控制系统一般都由调速模块和点火控制模块两个模块组成，这两个系统相互独立且两个系统一般都由不同的厂家提供［4］。由于调速和点火是由两个系统配合工作，两个系统的相互独立会对发电机组性能的优化带来不便。为了解决这一问题，本文根据天然气发电机组工作的实际需要，开发了一套适用于小型天然气发电机组的综合调速和点火功能控制系统，该系统以英飞凌公司生产的XE164FN单片机为核心，以实现对小型天然气发动机的点火和速度综合控制为目的，对控制器的硬件进行了设计。本论文的研究内容对于小型天然气发电机组控制系统的研制具有一定的借鉴意义。

1　控制系统功能需求

发电机组控制单元主要包含传感器信号处理电路、微处理器、驱动电路及CAN通讯电路等部分组成。传感器的信号处理电路包括模拟信号处理电路、脉冲信号处理电路及开关量信号处理电路，其中模拟信号处理电路主要用于处理节气门位置、水温、机油压力、蓄电池电压等信号。脉冲信号主要包括曲轴位置信号和凸轮轴位置信号。开关量信号主要为发动机启动状态信号。

控制系统单片机采用英飞凌XE164FN单片机，该单片机为16位单片机，其工作时钟可达80 MHz。XE164FN具有较大的内部存储器容量，同时芯片上具有多种控制功能模块，资源丰富，因此在使用时无需过多外接其他的驱动芯片。XE164FN上具有2路CAN通讯，能够实现对CAN总线数据的收发工作。XE164FN具有片上引导程序加载器和工业标准DAP和BDM接口，使产品硬件和软件的调试更加快捷［5］。驱动电路主要是用于控制节气门的位置及点火驱动。通过节气门位置控制可以实现不同工况下对进气的需要进行调节；通过控制点火线圈的闭合时间，从而控制点火时刻及点火能量。开发的硬件系统示意图如图1所示。

图1　硬件系统设计

2　控制系统硬件设计

控制系统硬件电路主要包括电源电路、单片机及外围电路、脉冲信号处理电路、模拟信号处理电路、电子节气门驱动电路及点火驱动电路等部分。各部分的设计思路如下：

本系统的输入电源为12 V，而系统中的部分电路需要5 V电源，为此本文设计了以TLE6365为核心的电源转换电路。TLE6365是英飞凌公司生产的汽车级电源转换芯片，能够将电压范围为8 V～35 V的电压稳定在4.75 V～5.25 V之间。单片机及外围电路是指能够使单片机正常运行的最小硬件单元电路。一般由以下几部分组成：单片机及其滤波电路、晶振电路、复位电路、程序下载及调试电路。

本试验中用的曲轴位置传感器为磁电感应式，安装于曲轴附近。凸轮信号传感器采用霍尔式传感器。信号在进入单片机之前先经过RC滤波消除干扰，而后经过TLC277的放大后进入带滞环比较器的4093施密特触发器进行整形，这个脉冲处理电路能够有效地消除毛刺等其他干扰信号引起的信号失真，保证输出波形的稳定。

试验中需要对蓄电池电压、机油压力、冷却水温及节气门位置等进行采集，控制系统单片机的模数转换单元的量程是5 V，所以需要将各传感器的信号转换为0～5 V的模拟信号。蓄电池的电压高，通过电阻分压后进行采集。机油压力传感器输出为0～5 V的电压信号，可以直接进行采集。冷却水温传感器多采用热敏电阻［6］，本设计选用负温度系数型热敏电阻，通过精密电阻上拉至电源，将电阻信号转化为电压信号。电子节气门位置反馈传感器为无触点双电位计结构，传感器同时输出两个呈反向变化的电压信号。上述模拟信号都经过RC滤波电路处理，提高信噪比，此外，为了防止过压对模数转换芯片造成危害，增加了稳压二极管起限压保护作用。系统的启动信号为开关量信号，输入信号为12 V电平信号，通过三极管的开关特性将12 V电平转化为5 V电平，并送入单片机。

控制系统采用M2C00型点火线圈，通过驱动电路来实现单片机控制信号到功率驱动信号的转变，驱动芯片采用Fairchild公司生产的V5045S型IGBT。设计了保护电路，通过取样电阻得到初级线圈电流，通过比较器及与门芯片在电流异常时保护驱动电路。IGBT的栅极电阻RG对其工作性能有较大的影响，较大的RG能够抑制IGBT的电流和电压的上升率，但增加IGBT的开关时间和损耗；较小的RG会增大电流上升率，但容易使IGBT误导通或损坏。对比不同栅极电阻对应的栅极电压上升曲线，结果如图2所示。经过长时间的测试，最终将RG取为5.1 Ω。

图2　　不同RG值下IGBT的导通时间

在蓄电池电压一定的情况下，点火线圈中次级线圈的点火能量与初级线圈的充电时间有关系［7］。

a）充电时间为1.4 ms

c）充电时间为6.5 ms

图3为不同充电时间对应的初级线圈的电流上升曲线，由图可见，随着充电时间的增加，初级线圈的电流增大，考虑到充电时间过长点火线圈容易发热，本研究中将最大充电时间定为6.5 ms。

本设计中的节气门选用博世公司生产的DVE5型。为了能够灵活地控制节气门，本文选用能够实现可逆PWM的H桥控制芯片L9958为电子节气门控制芯片。该芯片能够对直流电机进行控制，也能够对步进电机进行控制。芯片中可以根据需要通过SPI总线设置芯片的驱动电流，其中最低驱动电流为2.5A，最高驱动电流可以达到8.6A［8］。

CAN总线是一种串行数据通信协议，由于其结构简单可靠性高、传输速度快、扩展性强，得到了广泛的应用。虽然XE164FN单片机内部集成了CAN模块，但是由于不同CAN设备在接收和发送信号时所用的电平幅值有所不同，因此单片机CAN通讯需要外接一个电平转换芯片。本文中采用了NXP半导体公司生产的高速CAN总线收发器TJA1040，传输速率高达1 Mbit/s满足设计的要求。

图3　点火线圈的充电特性

3　实验验证

本课题所研究的天然气发电机组主要由：进气系统、天然气发动机、同步发电机、负载、控制系统以及PCI采集卡等几部分组成。天然气发电机组结构如图4所示。试验中的天然气在经过减压器和稳压器后在混合器中与空气混合而后通过电子节气门进入发动机。上位机和下位机之间通过CAN卡进行通讯，同时在试验过程中通过PCI采集卡对发动机的转速信号进行高速采集和处理，试验台结构如图5所示。

图4　天然气发电机组结构

图5　试验台结构

研究用天然气发动机是在全柴490的基础上改装而来，发动机参数如表1所示。

表1　天然气发动机结构参数

国标规定电网的额定频率值必须为50 Hz。同时国标还对机组的稳态调整率、瞬态调整率、稳定时间、波动率等提出了要求，具体要求如下表2所示。

表2　国标对发电机组控制参数的要求

因为本机组采用发动机与发电机直接相连的连接方式，为此发电机的输出频率（Hz）与内燃机的转速（r/min）之间有如下关系：

式中：p为发电机的磁极对数，本试验中所用发电机的磁极对数为2，为了能够使发电机的发电频率保持在50 Hz，气体机的转速必须稳定在1 500 r/min。

对发电机组的性能进行测试时以电炉子作为负载，通过改变接入的电炉子数目来对发电机组的状态进行测试，负载如图6所示。在负载调整过程中用采集卡对负载变化前后的发动机转速进行采集和记录，而后对采集的数据进行计算和分析，按照国标的要求得到稳态频率调整率、频率波动率、瞬态频率调整率及频率稳定时间。

图6　发电机组负载

在实验平台上进行了连续3次加载及3次减载实验，加载过程实验曲线如图7所示。由图可见，当突加负载时，气体机的转速会突然下降，控制系统通过调整节气门的开度，增加进气量，将转速稳定在1 500 r/min。

表3为加载过程各工况参数对比情况，由表可见，发电机组在加载过程中稳态调整率最大为-2.2%，最小为-2.0%；瞬态频率调整率最大为-6.5%，最小为1.8%；频率波动率最大为1.9%，最小为1.6%；达到稳定所需的时间最大为14.2 s，最小为1.8 s。上述参数均满足国标规定的限值要求。

图7　发电机组加载过程转速变化曲线

表3　加载工况各参数对比

图8为3次减载实验过程的转速曲线，由图可见，当突减负载时，气体机的转速突然升高，进而在控制系统的作用下，通过调整节气门开度将转速稳定。

图8　发电机组减载过程转速变化曲线

表4为减载过程各工况参数对比情况，由表可见，发电机组减载过程中稳态调整率最大为2.4%，最小为-1.6%；瞬态频率调整率最大为5.9%，最小为3.8%；频率波动率最大为1.9%，最小为1.4%；达到稳

表4　减载工况各参数对比

定所需的时间最大为11.5 s，最小为3.1 s。上述参数均满足国标规定的限值要求。

4　结论

1）本文根据天然气发电机组的情况，选用英飞凌公司的16位单片机XE164FN作为主芯片，设计开发了分布式天然气发电机组控制系统。

2）控制系统能够对凸轮轴传感器及曲轴传感器等2路脉冲信号进行处理；NTC热敏电阻、机油压力传感器、电子节气门位置传感器及蓄电池电压等模拟信号进行采集；并实现对4路点火及1路电子节气门的控制。

3）在由全柴490柴油机改进而来的天然气发电机组上进行了试验。试验发现机组的稳态调整率最高为2.4%，瞬态调整率最高为-6.5%，频率波动率最高为1.9%，达到稳态所需时间最长为14.2s，均符合国标要求。

1王文龙.大力发展天然气发电［J］.华北电业，1997（3）：47

2王彤，兰森林.分布式发电对配电网的影响［J］.华东电力，2010，38（7）：1038-1039

3黄伟，孙昶辉，吴子平，等.含分布式发电系统的微网技术研究综述［J］.电网技术，2009，33（9）：14-18，34

4史俊武.天然气发电机组系统设计与频率控制［D］.上海：同济大学，2006

5吴志红，朱元，王光宇.英飞凌16位单片机XC164CS的原理与基础应用［M］.上海：同济大学出版社，2006

6李晓英.混合动力汽车辅助动力单元控制系统研究［D］.长春：吉林大学，2004

7吴元杰，徐博侯，季春宇.高能点火系统点火能量的模拟计算研究［J］.汽车科技，1997（5）：1-5，8

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

山东省自然科学基金（2013ZRE27215）和中国博士后基金项目（2015M572029）。

季魁玉（1962-），男，高级工程师，主要研究方向为气体机工作过程分析。

纪少波（1979-），男，副教授，博士，主要研究方向为内燃机工作过程及测控技术。

（2015-10-23）