CN105736210B - 一种天然气发动机的瞬态调速率控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天然气发动机的瞬态调速率控制方法及装置，该方法包括：检测天然气发动机的实际转速，判断所述实际转速是否属于预设转速范围；若所述实际转速属于预设转速范围，则根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角；调整所述天然气发动机的点火提前角为所述目标点火提前角。本发明提供的技术方案能够在负荷变化时通过调整点火提前角来快速响应，解决了天然气发动机气路存在延迟的问题，可有效地保证天然气发动机的瞬态调速率满足发动机机组的设计要求。

Description

一种天然气发动机的瞬态调速率控制方法及装置

技术领域

本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种发电用天然气发动机的瞬态调速率控制方法及装置。

背景技术

发电用天然气发动机与普通柴油发动机相比，虽然在经济性、环保性、动力性等方面存在诸多优势，但是与柴油发动机相比天然气发动机存在气路的延迟，响应性不如柴油发动机。在载荷发生变化时，天然气发动机转速波动较大，特别是突加及突减负荷时，转速下跌及上冲都较大。

目前，发电用天然气发动机控制系统多采用转速闭环控制的方式进行调速率控制，以设定的目标转速及发动机的实际转速为输入进行PID控制，输出需求扭矩来响应转速的变化。此类控制方法可适用于稳态工况，但对于瞬态工况，由转速PID输出的扭矩再到控制节气门及燃气阀的开度，以及天然气发动机本身存在气路的延迟，对于瞬态工况，如突加及突减负荷，现有的控制方法响应慢，转速下跌及上冲较大，很难满足发动机机组对瞬态调速率的要求。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种天然气发动机的瞬态调速率控制方法及装置，解决了现有技术中天然气发动机气路存在的延迟问题，有效地保证天然气发动机的瞬态调速率满足发动机机组的设计要求。

根据本发明的一个方面，提供了一种天然气发动机的瞬态调速率控制方法，该方法包括：

检测天然气发动机的实际转速，判断所述实际转速是否属于预设转速范围；

若所述实际转速属于预设转速范围，则根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角；

调整所述天然气发动机的点火提前角为所述目标点火提前角。

可选地，在所述判断所述实际转速是否属于预设转速范围之前，所述方法还包括：

根据所述天然气发动机的额定转速确定所述预设转速范围。

可选地，所述根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角，进一步包括：

若所述转速加速度大于第一预设标定量，且所述实际转速大于第二预设标定量，则根据所述转速加速度查找第一映射关系，以获取所述转速加速度对应的第一修正因子；

根据所述第一修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角；

其中，所述第一映射关系中包括转速加速度和修正因子之间的对应关系。

可选地，所述第一修正因子小于或等于1。

可选地，所述根据所述第一修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角，具体为：

计算所述第一修正因子与所述天然气发动机的点火提前角的乘积，将所述乘积作为所述目标点火提前角。

可选地，所述根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角，进一步包括：

若所述转速加速度小于第三预设标定量，且所述实际转速小于第四预设标定量，则根据所述转速加速度查找第二映射关系，以获取所述转速加速度对应的第二修正因子；

根据所述第二修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角；

其中，所述第二映射关系中包括转速加速度和修正因子之间的对应关系。

可选地，所述第二修正因子大于或等于1。

可选地，所述根据所述第二修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角，具体为：

计算所述第二修正因子与所述天然气发动机的点火提前角的乘积，将所述乘积作为所述目标点火提前角。

根据本发明的另一个方面，提供了一种天然气发动机的瞬态调速率控制装置，该装置包括：

判断模块，用于检测天然气发动机的实际转速，判断所述实际转速是否属于预设转速范围；

第一确定模块，用于当所述实际转速属于预设转速范围时，根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角；

控制模块，用于调整所述天然气发动机的点火提前角为所述目标点火提前角。

可选地，所述装置还包括：

第二确定模块，用于在所述判断模块判断所述实际转速是否属于预设转速范围之前，根据所述天然气发动机的额定转速确定所述预设转速范围。

本发明的有益效果为：

本发明提供的天然气发动机的瞬态调速率控制方法及装置，通过在在突增及突减负荷的瞬态工况下，采用调节点火提前角的方式来快速响应负荷的变化，并根据转速加速度确定目标点火提前角，调整天然气发动机的点火提前角为目标点火提前角，使得发动机的瞬态调速率维持在合理的范围内，进而保证天然气发动机的瞬态调速率满足发动机机组的设计要求。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提出的一种天然气发动机的瞬态调速率控制方法的流程图；

图2为本发明另一实施例提出的一种天然气发动机的瞬态调速率控制方法的具体实现流程图；

图3为本发明实施例提出的一种天然气发动机的瞬态调速率控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明实施例提供了一种天然气发动机的瞬态调速率控制方法及装置，该方法在转速PID闭环控制的基础上采用直接调整点火提前角的方式来快速响应负荷的变化。

需要说明的是，在本发明实施例中：

调速率：发动机的外部载荷发生变化时，发动机转速相对于额定转速的波动情况，是发电设备上的一个重要参数，通常分为稳态调速率和瞬态调速率。其中，瞬态调速率是指发动机突加(或突卸)载荷时，转速动态变化过程中最小(最大)转速与额定转速之差的绝对值同额定转速的比值。

ECU，电子控制单元，根据输入信号及内部控制逻辑输出执行器驱动信号。

点火提前角：是指从点火时刻开始到活塞到达压缩上止点这段时间内曲轴转过的角度，最优的点火提前角可以使发动机的输出功率增加，振动减小，效率增加。点火提前角过小容易使排温升高，发动机功率下降，点火提前角过大容易引起爆燃爆震等问题，合理的调节点火提前角可以快速有效的调整发动机的转速及输出功率。

以下将结合附图对本发明实施例的天然气发动机的瞬态调速率控制方法及装置进行详细说明。

图1示出了本发明实施例的一种天然气发动机的瞬态调速率控制方法的流程图。

参照图1，本发明实施例提出的天然气发动机的瞬态调速率控制方法包括：

S11、检测天然气发动机的实际转速，判断所述实际转速是否属于预设转速范围。

需要说明的是，本实施方式的执行主体为天然气发动机的电子控制单元ECU。ECU用于根据输入信号及内部控制逻辑输出执行器驱动信号。

在本发明实施例中，所述预设转速范围是根据天然气发动机的额定转速确定的。

在实际应用中，首先检测天然气发动机的实际转速n，并判断天然气发动机实际转速n是否处在预设转速范围内。假设额定转速为n1，当发动机实际转速n满足：n1-预设阈值≤n≥n1+预设阈值时，则认为发动机实际转速处在预设转速范围内。通过对实际转速是否属于预设转速范围的判断，实现怠速工况和额定工况的区分，进而忽略转速从怠速工况向额定工况以及额定工况向怠速工况过度的情况，从而保证对天然气发动机的瞬态调速率的有效控制。

可理解的是，本发明实施例中的预设阈值的具体取值需要进行合理标定得到，本发明对此不做具体限定。

S12、若所述实际转速属于预设转速范围，则根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角。

在实际应用中，当步骤S11中判断的实际转速处在预设转速范围内，即当发动机的实际转速n满足：n1-预设阈值≤n≥n1+预设阈值时，可根据发动机的实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定当前的目标点火提前角。

S13、调整所述天然气发动机的点火提前角为所述目标点火提前角。

本发明实施例提供的天然气发动机的瞬态调速率控制方法，充分考虑了天然气发动机的特点，在突增及突减载荷的瞬态工况下，采用调节点火提前角的方式来快速响应负荷的变化，并引入了转速加速度为输入条件，根据转速确定当前的目标点火提前角，并根据得到的目标点火提前角来调节点火提前角，使发动机的瞬态调速率维持在合理的范围内，进而保证天然气发动机的瞬态调速率满足发动机机组的设计要求。

在本发明的一个可选实施例中，在所述判断所述实际转速是否属于预设转速范围之前，所述方法还包括以下附图中未示出的步骤S10：

S10、根据所述天然气发动机的额定转速确定所述预设转速范围。

在一个具体示例中，假设额定转速为n1，则确定所述预设转速范围具体为大于或等于n1-预设阈值，且小于或等于n1+预设阈值。

本发明通过判断所述实际转速是否属于预设转速范围之前，根据天然气发动机的额定转速确定预设转速范围，实现怠速工况和额定工况的区分，实现忽略转速从怠速工况向额定工况以及额定工况向怠速工况过度的情况，从而保证对天然气发动机的瞬态调速率的有效控制。

在本发明的一个可选实施例中，所述根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角，进一步包括：

对所述转速加速度以及所述实际转速进行判断，若所述转速加速度大于第一预设标定量，且所述实际转速大于第二预设标定量，则根据所述转速加速度查找第一映射关系，以获取所述转速加速度对应的第一修正因子。其中，所述第一映射关系中包括转速加速度和修正因子之间的对应关系，所述第一修正因子小于或等于1。

根据所述第一修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角。进一步地，所述根据所述第一修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角，具体为：计算所述第一修正因子与所述天然气发动机的点火提前角的乘积，将所述乘积作为所述目标点火提前角。

更进一步地，当所述转速加速度不大于第一预设标定量，和/或所述实际转速不大于第二预设标定量时，所述根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角，进一步包括：

对所述转速加速度以及所述实际转速进行判断，若所述转速加速度小于第三预设标定量，且所述实际转速小于第四预设标定量，则根据所述转速加速度查找第二映射关系，以获取所述转速加速度对应的第二修正因子。其中，所述第二映射关系中包括转速加速度和修正因子之间的对应关系，所述第二修正因子大于或等于1。

根据所述第二修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角。进一步地，所述根据所述第二修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角，具体为：计算所述第二修正因子与所述天然气发动机的点火提前角的乘积，将所述乘积作为所述目标点火提前角。

在本发明实施例中，所述映射关系可通过CUR实现，具体的，CUR：一维数组，输入一个X，输入对应的Y值。

在实际应用中，瞬态调速率控制方法的实现流程，如图2所示，首先，当步骤S11中判断的实际转速不属于预设转速范围时，则不对点火提前角进行修正。当步骤S11中判断的实际转速处在预设转速范围内时，计算转速加速度，当所述转速加速度大于第一预设标定量，且所述实际转速大于第二预设标定量时，确定天然气发动机当前处于突卸载荷工况，则以转速加速度为输入条件查对应的CUR1，以获取所述转速加速度对应的点火提前角的第一修正因子fac1，该修正因子为小于等于1的数值，加速度越大修正因子越小。获得修正因子后，乘以当前的点火提前角就可以得到最终的目标点火提前角，调整所述天然气发动机的点火提前角为得到的目标点火提前角。当上述的判断条件不满足时，对所述转速加速度以及所述实际转速进行再次判断，当所述转速加速度小于第三预设标定量，且所述实际转速小于第四预设标定量时，确定天然气发动机当前处于突加载荷的工况，则以转速加速度为输入条件查对应的CUR2，以获取所述转速加速度对应的点火提前角的第二修正因子fac2，该修正因子为大于等于1的数值，加速度越小修正因子越大。获得修正因子后，乘以当前的点火提前角就可以得到最终的目标点火提前角，调整所述天然气发动机的点火提前角为得到的目标点火提前角。

需要说明的是，本发明实施例中，第一预设标定量、第二预设标定量以及第四预设标定量为正数，第三预设标定量为负数，具体数值需要进行合理标定得到。例如，突加负荷时，转速下冲，此时要合理的增大点火提前角，增加发动机的输出功率，标定时要考虑爆震等问题的发生，突减负荷时，转速上冲，此时要合理的减小点火提前角，使发动机的输出功率减小，标定时要考虑排温异常等问题的发生。

调整前的点火提前角是耐久运行下的点火提前角，存在标定余量，瞬态工况短时间内调整点火提前角可有效增加和减小输出功率，特别是在突卸负荷时效果更加明显。本发明实施例在突增及突减负荷的短时间内，考虑爆震及排温异常等情况的前提下调整点火提前角，使发动机的输出功率快速响应负荷的变化，减小转速下跌和超调值。

本发明实施例提供的天然气发动机的瞬态调速率控制方法，充分考虑了天然气发动机的特点，在突增及突减载荷的瞬态工况下，采用调节点火提前角的方式来快速响应负荷的变化，并引入了转速加速度为输入条件，根据转速的不同输出不同的修正因子来确定目标点火提前角，并根据得到的目标点火提前角来调节实际点火提前角，使发动机的瞬态调速率维持在合理的范围内，进而保证天然气发动机的瞬态调速率满足发动机机组的设计要求。

对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。

图3示出了本发明实施例的天然气发动机的瞬态调速率控制装置的结构示意图。

参照图3，本发明实施例的天然气发动机的瞬态调速率控制装置包括判断模块301、第一确定模块302以及控制模块303，其中：

所述的判断模块301，用于检测天然气发动机的实际转速，判断所述实际转速是否属于预设转速范围；

所述的第一确定模块302，用于当所述实际转速属于预设转速范围时，根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角；

所述的控制模块303，用于调整所述天然气发动机的点火提前角为所述目标点火提前角。

在本发明的一个可选实施例中，所述装置还包括附图中未示出的第二确定模块：

所述第二确定模块，用于在所述判断模块判断所述实际转速是否属于预设转速范围之前，根据所述天然气发动机的额定转速确定所述预设转速范围。

对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

综上所述，本发明实施例提供的天然气发动机的瞬态调速率控制方法及装置，通过在在突增及突减负荷的瞬态工况下，采用调节点火提前角的方式来快速响应负荷的变化，并根据转速加速度确定目标点火提前角，调整天然气发动机的点火提前角为目标点火提前角，使得发动机的瞬态调速率维持在合理的范围内，进而保证天然气发动机的瞬态调速率满足发动机机组的设计要求。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种天然气发动机的瞬态调速率控制方法，其特征在于，所述方法包括：

检测天然气发动机的实际转速，判断所述实际转速是否属于预设转速范围；

若所述实际转速属于预设转速范围，则根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角；

调整所述天然气发动机的点火提前角为所述目标点火提前角；

其中，所述根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角，进一步包括：

若所述转速加速度小于第三预设标定量，且所述实际转速小于第四预设标定量，则根据所述转速加速度查找第二映射关系，以获取所述转速加速度对应的第二修正因子；

根据所述第二修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角；

其中，所述第二映射关系中包括转速加速度和修正因子之间的对应关系；

所述根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角，进一步包括：

若所述转速加速度大于第一预设标定量，且所述实际转速大于第二预设标定量，则根据所述转速加速度查找第一映射关系，以获取所述转速加速度对应的第一修正因子；

根据所述第一修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角；

其中，所述第一映射关系中包括转速加速度和修正因子之间的对应关系；

所述第一修正因子小于或等于1；

所述根据所述第一修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角，具体为：

计算所述第一修正因子与所述天然气发动机的点火提前角的乘积，将所述乘积作为所述目标点火提前角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述判断所述实际转速是否属于预设转速范围之前，所述方法还包括：

根据所述天然气发动机的额定转速确定所述预设转速范围。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二修正因子大于或等于1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第二修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角，具体为：

计算所述第二修正因子与所述天然气发动机的点火提前角的乘积，将所述乘积作为所述目标点火提前角。

5.一种天然气发动机的瞬态调速率控制装置，其特征在于，所述装置包括：

判断模块，用于检测天然气发动机的实际转速，判断所述实际转速是否属于预设转速范围；

第一确定模块，用于当所述实际转速属于预设转速范围时，根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角；

其中，所述根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角，进一步包括：

若所述转速加速度小于第三预设标定量，且所述实际转速小于第四预设标定量，则根据所述转速加速度查找第二映射关系，以获取所述转速加速度对应的第二修正因子；

根据所述第二修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角；

其中，所述第二映射关系中包括转速加速度和修正因子之间的对应关系；

控制模块，用于调整所述天然气发动机的点火提前角为所述目标点火提前角；

所述根据所述实际转速计算当前转速加速度，并根据所述转速加速度确定目标点火提前角，进一步包括：

若所述转速加速度大于第一预设标定量，且所述实际转速大于第二预设标定量，则根据所述转速加速度查找第一映射关系，以获取所述转速加速度对应的第一修正因子；

根据所述第一修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角；

其中，所述第一映射关系中包括转速加速度和修正因子之间的对应关系；

所述第一修正因子小于或等于1；

所述根据所述第一修正因子对所述天然气发动机的点火提前角进行修正，得到所述目标点火提前角，具体为：

计算所述第一修正因子与所述天然气发动机的点火提前角的乘积，将所述乘积作为所述目标点火提前角。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第二确定模块，用于在所述判断模块判断所述实际转速是否属于预设转速范围之前，根据所述天然气发动机的额定转速确定所述预设转速范围。