CN105257415A - 一种小型生物质气内燃发电机组控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型生物质气内燃发电机组控制系统及控制方法，包括主控单元，所述主控单元分别与检测单元、进气控制单元通信，检测单元将检测的内燃发电机组电气参数及机体状态传输至主控单元，主控单元根据检测单元的检测信息通过进气控制单元进行双PID控制；以混合气进气PID控制即转速PID控制为第一控制环，生物质气进气PID控制为第二控制环，混合气进气PID控制控制混合气进气量，生物质气进气PID控制调整生物质气进气量，实现生物质气进气量和混合气进气量协调控制。本发明生物质气内燃发电机组集成控制系统，不仅具有发电机组控制保护功能，还具有生物质气进气控制和转速控制功能。

Description

一种小型生物质气内燃发电机组控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种内燃发电机组控制系统及控制方法，尤其涉及一种小型生物质气内燃发电机组控制系统及控制方法。

背景技术

世界能源发展已经经历了两次重大变革，工业化前，人类主要利用薪柴作为能源，18世纪第一次工业革命中蒸汽机的出现带动了煤炭逐步取代薪柴。19世纪70年代第二次工业革命中内燃机的出现带动了石油逐步取代煤炭。目前，世界能源正处于第三次变革时期，可再生能源迅猛发展，最终将取代石油能源。

我国自1993年开始已成为石油净进口国，2014年中国石油消费量超5亿吨，进口依存度接近60％，未来还将呈现不断上升态势。大力发展可再生能源，调整能源结构，减轻对于进口原油的过分依赖，是能源和资源供应体系面临的重大战略任务。

作为可再生能源的重要组成部分之一，生物质能占到全世界总能耗的15％，数量相当巨大，是21世纪能源供应中最具潜力的能源。因它来自自然界，无污染，同时又是可再生能源而引起各国的重视。在今后几年，生物质在生物发电、生物燃料和生物产品部门应用领域将大幅增长，生物质发电的市场价值将从2010年450亿美元增加到2020年530亿美元。

我国的生物质能极为丰富，每年产生的农业林业废弃物数以几十吨计，主要包括农业生产中产生的植物残余废弃物，牧、渔业产生的动物类残余废弃物，农工加工产生的加工残余废弃物和农村、城镇生活垃圾等，生物质的资源量十分巨大，但是，生物质能源分布较分散，收集、运输和储存困难，发展集中式生物质能源利用难度较大，因此，小型生物质气冷热电联供系统成为解决我国生物质能利用问题的最佳方案之一。小型生物质气冷热电联供系统一般指装机容量低于500kW的系统，以生物质气内燃机或燃气轮机为主要动力装置，通过回收利用动力装置的高温烟气、高温缸套水，向用户提供电能、制冷和供热。

目前绝大多数生物质气内燃发电机(组)采用的控制器与调速器分离，控制器仅具有电压、电流检测及部分保护和控制功能，调速器只能根据速度反馈调节混合气进气量，不能随沼气中甲烷含量的变化及时调整沼气进气量，控制方式较为简单，系统整体协调性较差，无法很好的适应生物质气随季节变化产气量和成分变化的特点。目前尚未发现专用于小型生物质气内燃发电机组的控制系统。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种小型生物质气内燃发电机组控制系统及控制方法，在原有通用性控制器的基础上，集成了调速功能；可根据内燃发电机组输出功率和混合器进气量得到甲烷含量(无需甲烷浓度传感器)，及时调整沼气进气量，提高了调速系统的工作效率和沼气成分波动工况下的适应性。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种小型生物质气内燃发电机组控制系统，包括主控单元，所述主控单元分别与检测单元、进气控制单元相连；

检测单元将检测的内燃发电机组电气参数及机体状态传输至主控单元，主控单元根据检测单元的检测信息通过进气控制单元进行双PID控制；

以混合气进气PID控制即转速PID控制为第一控制环，生物质气进气PID控制为第二控制环，混合气进气PID控制混合气的进气量，生物质气进气PID调整生物质气的进气量，实现生物质气的进气量和混合气的进气量协调控制。

进一步的，上述一种小型生物质气内燃发电机组控制系统还包括分别与主控单元进行通信的显示单元、上位机、保护单元、功能按键单元、检测单元、供电单元，其中供电单元包括蓄电池及与蓄电池相连的同步发电机。

进一步的，检测单元包括内燃发电机组电气参数检测单元和机体状态检测单元，内燃发电机组电气参数检测单元用于实时检测生物质气内燃发电机在运行过程中的电气参数，包括电压、电流、功率、转速及频率；内燃发电机组机体状态检测单元检测的内燃发电机组机体状态包括缸套水温度、烟气温度、蓄电池电压、机油压力及生物质气进气压力。

进一步的，主控单元包括内燃发电机运行控制单元和充电控制单元，内燃发电机组运行控制单元用于机组的启停控制、转速控制及进气控制，充电控制单元用于根据蓄电池的电量状态开启或关闭同步发电机。

一种小型生物质气内燃发电机组控制方法，包括以下步骤：

通过检测单元进行蓄电池电压检测、发电机电压和电流检测、油压检测、水温检测、发电机转速和频率检测，将检测的信息传输至主控单元；

主控单元判断各检测参数是否正常，当检测参数存在异常时，根据参数异常进一步判断是蓄电池电压异常、发电机电压电流异常、油压水温异常或发电机转速频率异常；

主控单元针对不同的异常情况进行控制，其中，当发电机转速频率异常时，采用双PID控制方法进行控制，混合气进气调节，判断内燃发电机组电流是否变化，如果是，则查表得该电流下对应最佳空燃比进气阀开度，生物质气进气PID控制器调整生物质气进气阀开度，使混合器进气阀开度对应最佳空燃比开度，如果电流没有变化，则判断进气阀位置是否变化，如果是则转入生物质气进气PID控制器调整生物质气进气阀开度，使混合器进气阀开度对应最佳空燃比开度的步骤，如果否，则继续检测电流是否变化。

进一步的，上述一种小型生物质气内燃发电机组控制方法，在检测单元检测信息之前还包括参数设定步骤及内燃发电机启动步骤；

进一步的，参数设定为对内燃发电机的各项参数进行设定，包括内燃发电机正常运行时的电压、频率、最大输出功率、缸套水温度上下限值、机油压力上下限值、烟气排烟温度上限。

进一步的，生物质气内燃发电机启动时，首先由启动机带动内燃发电机，判断是否满足启动成功条件，在一定时间内达到预设的启动条件即认为启动成功，如果不满足，重新启动，启动成功后，控制器发送控制信号，切除启动机。

进一步的，当蓄电池电压异常时，如果是蓄电池电压低于设定值则开启充电，如果是电压高于设定值则关闭充电；

当发电机电压异常时，保护单元进行报警，LCD显示单元提示调节励磁；

当油压水温异常时，保护单元进一步判断是否超过停机阈值，如果是，则紧急停机、LED报警、LCD显示停机信息，如果否，则LED报警，LCD显示单元显示报警信息。

进一步的，双PID控制方法，主要指甲烷浓度不变时内燃发电机组转速控制，以及甲烷浓度变化时转速控制和生物质气进气控制；

其中，甲烷浓度不变时，混合气进气控制以内燃发电机组转速给定为控制目标，实际转速作为反馈量，当实际转速与给定转速发生偏差时，转速PID控制器调整混合气的进气量，维持转速稳定；

甲烷浓度发生变化时，

若发电机组输出功率不变，生物质气进气控制以混合气进气阀开度为反馈量，通过控制生物质气进气阀开度即调整空燃比来维持甲烷浓度变化前后混合气进气阀的开度稳定；

若发电机组输出功率发生变化，通过查表得当前功率和最佳空燃比情况下的进气阀开度，以此为控制目标，通过控制生物质气进气阀，使混合气进气阀调整至目标位置。

本发明的有益效果：

1、生物质气内燃发电机组集成控制系统，不仅具有发电机组控制保护功能，还具有生物质气进气控制和转速控制功能。

2、转速控制采用分段PID控制，在启动过程和正常运行过程采用不同的PID参数，缩短了内燃发电机组由怠速提升至额定转速的时间，又减小内燃发电机组转速超调。

3、在甲烷含量变化时，控制器采用双PID控制方法，协调控制生物质气进气阀和混合气进气阀，实现生物质气内燃发电机组优化运行。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为生物质气内燃发电机组控制器控制流程图；

图3双PID控制结构框图；

图中，1、主控单元、2、检测单元、3、进气控制单元、4、液晶显示单元、5、上位通讯单元、6、保护单元、7、功能按键单元。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一种小型生物质气内燃发电机组多功能控制系统，包括参数检测系统、集成控制系统、保护系统、显示通讯系统。

(1)内燃发电机组参数检测系统，包括内燃发电机组电气参数检测单元和机体状态检测单元。内燃发电机组电气参数检测单元用于实时检测生物质气内燃发电机在运行过程中的电压、电流、功率等电气参数；内燃发电机组机体状态检测单元包括缸套水温度检测、烟气温度检测、机油压力检测、生物质气进气压力检测等。

(2)内燃发电机组集成控制系统，包括内燃发电机运行控制单元和充电控制单元。内燃发电机组运行控制单元用于机组的启停控制、转速控制、进气控制。控制系统采用双PID控制，实现生物质气进气量和混合气进气量协调控制，维持发电机组转速和输出功率稳定。由于本控制器具有生物质气进气和混合气进气协调控制功能，故采用分段式双PID控制方法，结构框图如图3所示。

分段式双PID控制，以混合气进气PID控制(转速PID控制)为第一控制环，生物质气进气PID控制为第二控制环。混合气进气控制通过控制混合气进气量，保证发电机组转速稳定，实时性要求较高；生物质气进气控制通过调整生物质气进气量，适应不同季节沼气产量或甲烷含量变化，实时性要求较低。

分段式PID控制方法，主要是对内燃发电机组的启动过程和正常运行过程进行分段PID控制，混合气进气控制在启动过程和正常运行过程采用不同的PID参数，适当提高启动过程的PID输出，既保证内燃发电机组转速可以在尽可能短的时间内由怠速提升至额定转速，又可以减小内燃发电机组转速超调；启动过程中，外环生物质气进气量基本不变，以减小启动过程的控制难度，提高启动过程的稳定性。

双PID控制方法，主要指甲烷浓度不变时内燃发电机组转速控制，以及甲烷浓度变化时转速控制和生物质气进气控制。

1.甲烷浓度不变时，混合气进气控制以内燃发电机组转速给定(例如4极电机1500rpm)为控制目标，实际转速作为反馈量。当实际转速与给定转速发生偏差时，转速PID控制器调整混合气进气量，维持转速稳定。

2.甲烷浓度发生变化时，

若发电机组输出功率不变，生物质气进气控制以混合气进气阀开度(位置)为反馈量，通过控制生物质气进气阀开度(调整空燃比)来维持甲烷浓度变化前后混合气进气阀的开度稳定(位置不变)。

若输出功率发生变化，通过查表得当前功率和最佳空燃比情况下的进气阀开度，以此为控制目标，通过控制生物质气进气阀(调整空燃比)，使混合气进气阀调整至目标位置。

(3)内燃发电机组保护系统，用于实时保护生物质气内燃发电机安全运行，防止运行过程中出现过压、过流、超速、欠速、超频、欠频、温度超限、压力超限、进气量超限等问题。

(4)内燃发电机组显示通讯系统，包括内燃发电机组显示单元和通讯单元，内燃发电机组显示单元通过工业串口LCD显示器，实时显示生物质气内燃发电机的各项参数，包括电压电流功率等电气参数、过压过流超频欠频等报警信息、保护继电器组各继电器的动作状态等；内燃发电机组通讯单元通过RS485接口，以串行通讯的方式将生物质气内燃发电机组的各项参数上传给计算机。

更为详细的实施例子：

如图1所示，一种小型生物质气内燃发电机控制器，包括主控单元1、检测单元2、进气控制单元3、液晶显示单元4、上位通讯单元5、保护单元6和功能按键单元7。

主控单元1以STM32F103RBT6芯片为核心，完成生物质气内燃发电机组控制器的所有检测、控制功能。在内燃发电机启动之前，需通过控制器上的液晶显示单元4和功能按键单元7，对内燃发电机的各项参数进行设定，包括内燃发电机正常运行时的电压、频率、最大输出功率、缸套水温度上下限值、机油压力上下限值、烟气排烟温度上限等。参数设定完成后，按下启动按钮，内燃发电机进入启动状态。

生物质气内燃发电机的启动时，首先由启动机带动内燃机，在一定时间内达到预设的启动条件即认为启动成功。启动成功后，控制器发送控制信号，切除启动机。启动过程中，主控单元1只对检测单元2中与内燃机启动相关参数和保护单元6相关参数进行检测，包括发电机电压幅值、发电机电压频率、内燃机转速、缸套水温度、机油压力等。

由于本小型生物质气内燃发电机控制器针对单机运行的生物质气内燃发电机组设计，不考虑并网运行，所以在正常的运行控制中，控制器主控单元1除实时检测电压、电流、频率、油压、水温等参数，只需针对负载和甲烷含量变化时，进气控制单元3协调控制生物质气进气阀和混合气进气阀，保证内燃机运行在最佳空燃比和转速稳定，实现生物质气内燃发电机组优化运行。

生物质气内燃发电机正常运行过程中，检测单元2实时检测燃气内燃机各项参数，根据各参数预设的正常运行值、报警阈值、紧急停机阈值。一旦某一参数超过紧急停机阈值，保护单元6进行停机保护，液晶显示单元4分别进行正常显示、超限报警、停机报警信息；同时，上位通讯单元5将各项参数信息实时上传给上位计算机。

一种小型生物质气内燃发电机组多功能控制方法，如图2所示，包括以下步骤：

参数设定：为对内燃发电机的各项参数进行设定，包括内燃发电机正常运行时的电压、频率、最大输出功率、缸套水温度上下限值、机油压力上下限值、烟气排烟温度上限。

启动：参数设定完成后，按下启动按钮，内燃发电机进入启动状态；

对内燃发电机进行电压、转速检测；

生物质气内燃发电机的启动时，首先由启动机带动内燃机，判断是否满足启动成功条件，在一定时间内达到预设的启动条件即认为启动成功，如果不满足，重新启动，启动成功后，控制器发送控制信号，切除启动机；

启动过程中，进行蓄电池电压检测、发电机电压检测、油压水温检测、发电机转速频率检测；

正常运行过程中，判断各检测参数是否正常，如果是则进入是否手动停机的步骤，如果否，则根据参数异常进一步判断是蓄电池电压异常、发电机电压异常、油压水温异常或发电机转速频率异常；

当蓄电池电压异常时，如果是蓄电池电压低于设定值则开启充电，如果是电压高于设定值则关闭充电；

当发电机电压异常时，进行报警，LCD显示单元提示调节励磁；

当油压水温异常时，进一步判断是否超过停机阈值，如果是，则紧急停机，LED报警，LCD显示停机信息，如果否，则LED报警，LCD显示报警信息。

当发电机转速频率异常时，混合气进气调节，判断电流是否变化，如果是，则查表得该电流下对应最佳空燃比进气阀开度，生物质气进气PID控制器调整生物质气进气阀开度，使混合器进气阀开度对应最佳空燃比开度，如果电流没有变化，则判断进气阀位置是否变化，如果是则转入生物质气进气PID控制器调整生物质气进气阀开度，使混合器进气阀开度对应最佳空燃比开度，如果否，则继续检测电流是否变化；

判断是否手动停机的步骤，如果是，则结束，如果否则继续检测蓄电池的电压、发电机电压、油压水温、发电机转速频率的步骤。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种小型生物质气内燃发电机组控制系统，其特征是，包括主控单元，所述主控单元分别与检测单元、进气控制单元相连，

检测单元将检测的内燃发电机组电气参数及机体状态传输至主控单元，主控单元根据检测单元的检测信息通过进气控制单元进行双PID控制；

以混合气进气PID控制即转速PID控制为第一控制环，生物质气进气PID控制为第二控制环，混合气进气PID控制控制混合气进气量，生物质气进气PID控制调整生物质气进气量，实现生物质气进气量和混合气进气量协调控制。

2.如权利要求1所述的一种小型生物质气内燃发电机组控制系统，其特征是，还包括分别与主控单元进行通信的显示单元、上位机、保护单元、功能按键单元、检测单元及供电单元，其中供电单元包括蓄电池及与蓄电池相连的同步发电机。

3.如权利要求1所述的一种小型生物质气内燃发电机组控制系统，其特征是，检测单元包括内燃发电机组电气参数检测单元和机体状态检测单元，内燃发电机组电气参数检测单元用于实时检测生物质气内燃发电机在运行过程中的电气参数，包括电压、电流、功率、转速及频率；内燃发电机组机体状态检测单元检测的内燃发电机组机体状态包括缸套水温度、烟气温度、蓄电池电压、机油压力及生物质气进气压力。

4.如权利要求1所述的一种小型生物质气内燃发电机组控制系统，其特征是，主控单元包括内燃发电机运行控制单元和充电控制单元，内燃发电机组运行控制单元用于机组的启停控制、转速控制及进气控制，充电控制单元用于根据蓄电池的电量状态开启或关闭同步发电机。

5.一种小型生物质气内燃发电机组控制方法，其特征是，包括以下步骤：

通过检测单元进行蓄电池电压检测、发电机电压电流检测、油压水温检测、发电机转速频率检测，将检测的信息传输至主控单元；

主控单元判断各检测参数是否正常，当检测参数存在异常时，根据参数异常进一步判断是蓄电池电压异常、发电机电压电流异常、油压水温异常或发电机转速频率异常；

主控单元针对不同的异常情况进行控制，其中，当发电机转速频率异常时，采用双PID控制方法进行控制，混合气进气调节，判断内燃发电机组电流是否变化，如果是，则查表得该电流下对应最佳空燃比进气阀开度，生物质气进气PID控制器调整生物质气进气阀开度，使混合器进气阀开度对应最佳空燃比开度，如果电流没有变化，则判断进气阀位置是否变化，如果是则转入生物质气进气PID控制器调整生物质气进气阀开度，使混合器进气阀开度对应最佳空燃比开度的步骤，如果否，则继续检测电流是否变化。

6.如权利要求5所述的一种小型生物质气内燃发电机组控制方法，其特征是，在检测单元检测信息之前还包括参数设定步骤及内燃发电机启动步骤。

7.如权利要求6所述的一种小型生物质气内燃发电机组控制方法，其特征是，参数设定为对内燃发电机的各项参数进行设定，包括内燃发电机正常运行时的电压、频率、最大输出功率、缸套水温度上下限值、机油压力上下限值、烟气排烟温度上限。

8.如权利要求6所述的一种小型生物质气内燃发电机组控制方法，其特征是，生物质气内燃发电机的启动时，首先由启动机带动内燃发电机，判断是否满足启动成功条件，在一定时间内达到预设的启动条件即认为启动成功，如果不满足，重新启动，启动成功后，控制器发送控制信号，切除启动机。

9.如权利要求5所述的一种小型生物质气内燃发电机组控制方法，其特征是，当蓄电池电压异常时，如果是蓄电池电压低于设定值则开启充电，如果是电压高于设定值则关闭充电；

当发电机电压异常时，保护单元进行报警，LCD显示单元提示调节励磁；

当油压水温异常时，保护单元进一步判断是否超过停机阈值，如果是，则紧急停机、LED报警、LCD显示停机信息，如果否，则LED报警，LCD显示单元显示报警信息。

10.如权利要求5所述的一种小型生物质气内燃发电机组控制方法，其特征是，双PID控制方法，主要指甲烷浓度不变时内燃发电机组转速控制，以及甲烷浓度变化时转速控制和生物质气进气控制；

其中，甲烷浓度不变时，混合气进气控制以内燃发电机组转速给定为控制目标，实际转速作为反馈量，当实际转速与给定转速发生偏差时，转速PID控制器调整混合气进气量，维持转速稳定；

甲烷浓度发生变化时：

若发电机组输出功率不变，生物质气进气控制以混合气进气阀开度为反馈量，通过控制生物质气进气阀开度即调整空燃比来维持甲烷浓度变化前后混合气进气阀的开度稳定；

若发电机组输出功率发生变化，通过查表得当前功率和最佳空燃比情况下的进气阀开度，以此为控制目标，通过控制生物质气进气阀，使混合气进气阀调整至目标位置。