小型生物质气内燃发电机组数字式一体化控制器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种小型生物质气内燃发电机组数字式一体化控制器，包括：主控单元以及与主控单元分别连接的检测单元、调速功能单元、调压功能单元、并网功能单元、人机交互单元以及通信单元；本实用新型有益效果：不仅具有生物质气内燃机调速和同步发电机调压功能，还具有发电机并网功能、输出功率检测功能及各种保护功能，将分散的控制器整合集成，简化了控制系统，降低了成本，便于安装。
【专利说明】
小型生物质气内燃发电机组数字式一体化控制器
技术领域
[0001]本实用新型专利涉及一种生物质气内燃发电机组控制器，尤其涉及一种具备调速、调压、并网控制和整机监控功能的生物质气内燃发电机组一体式控制器。【背景技术】
[0002]世界能源发展已经经历了两次重大变革，第一次工业革命以前，人类的主要能源为薪柴。蒸汽机的出现，推动了第一次工业革命的进行，也促使煤炭逐渐取代薪柴。在19世纪70年代第二次工业革命中，内燃机的出现使得石油逐步替代煤炭。而随着石油、天然气等不可再生能源的日趋枯竭，又将生物质气等可再生能源推上风口浪尖，能源发展正处于第三次变革时期。作为可再生能源的重要组成部分，生物质能数量相当巨大，是21世纪能源供应中最具潜力的能源之一。因它来自自然界，无污染，同时又可再生利用而引起各国的重视。在今后几年，生物质发电的市场价值将从2010年的450亿美元增加到2020年的530亿美J L 〇
[0003]我国的生物质能极为丰富，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，农工加工产生的残余废弃物和农村城镇生活垃圾等。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小于500kW的系统，以生物质气内燃机或燃气轮机为主要动力装置，并通过回收利用动力装置的高温烟气、缸套水，同时向用户提供电能、制冷和供热。
[0004]生物质气内燃发电机组是生物质气电冷热转换的核心设备，控制器是决定其性能的关键部件。生物质气内燃发电机组控制器主要包括调速器、调压器、点火控制器以及整机监控器。目前主要存在如下问题:
[0005](1)绝大多数生物质气内燃发电机组使用的控制系统有多个控制器构成，调速器、 调压器、点火控制器及整机监控器相互独立。调速控制器仅负责转速调节，调压控制器负责维持输出电压稳定，功能和空间布局上完全分离，系统集成度低，安装不便。[〇〇〇6] (2)由于各控制器独立，不能及时数据交换，通常各控制器都具备数据采集、控制执行单元，既存在功能冗余问题，又无法实现整个发电机组数据实时共享，整体协调性较差。
[0007](3)调速器、调压器和整机监控器独立式的结构，限制了系统响应速度，延长了系统响应时间，采用一体化控制器，可使控制系统的整体响应速度提高30%?50%。
[0008](4)目前控制器CPU性能强大，计算速度很快，外围资源丰富。调速、调压与整机监控采用多个独立的控制器，易造成资源浪费，增加成本。
[0009]目前尚未发现专用于小型生物质气内燃发电机组，具有调速、调压、并网与整机监控功能的数字式一体化控制器。【实用新型内容】
[0010]本实用新型为了解决上述问题，提出了一种小型生物质气内燃发电机组数字式一体化控制器，使其具有内燃机调速、同步发电机调压、发电机并网及整机监控功能，提高了系统的集成度，缩短了系统响应时间，简化了系统结构，降低了开发成本。
[0011]为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案:
[0012]—种小型生物质气内燃发电机组数字式一体化控制器，包括:主控单元以及与主控单元分别连接的检测单元、调速功能单元、调压功能单元、并网功能单元、人机交互单元以及通信单元；
[0013]所述主控单元包括:依次串联连接的数据采集子单元、数据处理子单元和报警保护子单元。
[0014]所述数据采集子单元与检测单元连接，所述数据采集子单元包括A/D转换器，对检测单元采集到的数据进行A/D转换。
[0015]所述数据处理子单元包括相互连接的滤波器和单片机。
[0016]所述检测单元包括生物质气内燃发电机组的电压采集装置、电流采集装置、电流采集装置、油压采集装置、水温采集装置以及并网母线电压采集装置。
[0017]所述人机交互单元包括:键盘和液晶显示器。
[0018]所述通信单元包括RS485/Modbus通讯与GPRS通讯，RS485/Modbus通讯指电气接口为RS485模式，通讯协议为Modbus协议，用于发电机组的组网与上位监控，GPRS通讯为短信报警通信，用于发电机组出现异常时，控制器向指定号码发送报警短信。[〇〇19]本实用新型的有益效果是:
[0020]1.生物质气内燃发电机组数字式一体化控制器，不仅具有生物质气内燃机调速和同步发电机调压功能，还具有发电机并网功能、输出功率检测功能及各种保护功能，将分散的控制器整合集成，简化了控制系统，降低了成本，便于安装。
[0021]2.发电机组的调速、调压和并网功能由一体化控制器统一完成，各功能单元协调性好，提尚了实时响应的动态性能。[〇〇22]3.通过上位计算机或人机交互单元，用户可根据需要，对调速、调压、并网功能进行独立开关，操作简单，适用于发电机组单机和并网运行。【附图说明】[〇〇23]图1为本实用新型的结构框图；
[0024]其中，1、主控单元、2、检测单元、3、功能按键、4、调速功能单元、5、调压功能单元、 6、并网功能单元、7、液晶显示单元、8、通信单元。【具体实施方式】
[0025]下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
[0026]如图1所示，生物质气内燃发电机组数字式一体化控制器，包括主控单元1、检测单元2、功能按键3、调速功能单元4、调压功能单元5、并网功能单元6、液晶显示单元7、通讯单元8。其中，功能按键3和液晶显示单元共同组成了人机交互单元。
[0027]主控单元1包括依次串联连接的数据采集子单元、数据处理子单元和报警保护子单元。
[0028]数据采集子单元与检测单元2连接，数据采集子单元包括A/D转换器，对检测单元采集到的数据进行A/D转换。[〇〇29]数据处理子单元包括相互连接的滤波器和单片机。本实施例单片机选用 STM32F103ZET6型号单片机。
[0030]报警保护子单元接收数据处理子单元的指令发出报警信号，报警信号可以是声光报警或者在液晶显示单元7显示报警信息。
[0031]主控单元1以STM32F103ZET6为核心，完成生物质气内燃发电机组数字式一体化控制器的数据采集、数据处理及报警保护功能，液晶显示单元6用于实时显示发电机组各项参数，发电机组在运行过程中允许通过液晶显示单元6与功能按键单元3对转速、电压等参数的额定值和报警阈值进行修改，同时，还可对调速、调压、并网功能单元进行独立开关。
[0032]检测单元2包括生物质气内燃发电机组的电压、电流、转速、油压、水温采集装置以及并网母线电压采集装置。用于对生物质气内燃发电机组的电压、电流、转速、油压、水温以及并网母线电压进行实时检测。
[0033]调速功能单元用于控制两路电子执行器，一路为生物质气进气控制电子执行器， 一路为混合气进气控制电子执行器，两路执行器控制电路一样，如图2所示。调速功能单元可以采用调速器实现。
[0034]调压控制单元从发电机输出端取电，经整流滤波后，通过控制电路进行调制，用于控制发电机励磁机定子电压，整流电路结构如图3所示，控制电路结构如图4所示。调压控制单元可以采用调压器实现。
[0035]并网功能单元主要指通过调速调压单元的调节，使得发电机输出电压的频率幅值相位相序与母线电压相同，达到并网条件时，输出并网控制信号，用于控制外部接触器和断路器合闸并网，并网控制信号输出电路如图5所示。并网功能单元可以采用并网控制器实现。
[0036]通信单元包括RS485/Modbus通讯与GPRS通讯，RS485/Modbus通讯指电气接口为 RS485模式，通讯协议为Modbus协议，用于发电机组的组网与上位监控，GPRS通讯为短信报警通信，用于发电机组出现异常时，控制器向指定号码发送报警短信。
[0037]生物质气内燃发电机组在启动和运行过程中，主控单元1采集转速信号，将实际转速与额定转速进行对比，根据实际转速与额定转速的偏差，进行PID计算，调整调速功能单元4中的PWM信号脉冲宽度，从而改变电子执行器控制电压，使内燃机转速维持在额定转速。
[0038]调压功能单元5整流模块对发电机交流输出电压进行整流、滤波处理，得到稳定的直流电源，同时，主控单元1采集发电机输出电压信号，将实际电压与额定电压进行对照，根据偏差进行PID计算，通过对调压功能单元5整流模块所得直流电源进行PWM调制，实现对整流单元所得直流电源的DC/DC变换，改变励磁机定子电压，使同步发电机输出电压维持在额定电压。
[0039]生物质气内燃发电机组在启动并网功能后，检测单元2对并网母线电压与发电机电压进行降压、改变基准点等处理，供主控单元1完成对电压信号的整周期采样，主控单元1 采样调理后的电压信号并对其进行信号还原，解析两个电压信号的实际幅值、相位等，当发电机输出电压与并网母线电压幅值、频率、相位、相序满足并网条件时，并网控制单元6控制合闸并网，发电机进入并网运行状态；当发电机输出电压不满足并网条件时，通过调速功能单元4和调压功能单元5对发电机组的转速、电压进行调节，直到其满足并网条件。
[0040]在并网运行过程中，通过调速功能单元4调整发电机组进气量以实现发电机有功功率调节，调压功能单元5调整发电机励磁电压来实现发电机无功功率调节。
[0041]生物质气内燃发电机组运行过程中，一旦机组出现超速、欠速、过压、过流、过载、 超频、欠频等问题，主控单元1产生相关报警，并通过液晶显示单元7显示具体报警信息，在规定时间内该参数未恢复至正常范围，主控单元1即控制发电机组进行停机保护，保证机组和人员安全，同时，GPRS通信模块向管理人员发送短信报告发电机组停机信息。
[0042]生物质气内燃发电机组控制器运行过程中，通讯单元8将内燃机相关参数、发电机相关参数及并网母线相关参数实时传输至上位计算机，同时，接收来自上位计算机的控制指令，使用户可以通过上位计算机完成对发电机组的控制。
[0043]上述虽然结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型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实用新型的保护范围以内。
【主权项】
1.一种小型生物质气内燃发电机组数字式一体化控制器，其特征是，包括:主控单元以 及与主控单元分别连接的检测单元、调速功能单元、调压功能单元、并网功能单元、人机交 互单元以及通信单元；所述主控单元包括:依次串联连接的数据采集子单元、数据处理子单元和报警保护子 单元。2.如权利要求1所述的一种小型生物质气内燃发电机组数字式一体化控制器，其特征 是，所述数据采集子单元与检测单元连接，所述数据采集子单元包括A/D转换器，对检测单 元采集到的数据进行A/D转换。3.如权利要求1所述的一种小型生物质气内燃发电机组数字式一体化控制器，其特征 是，所述数据处理子单元包括相互连接的滤波器和单片机。4.如权利要求1所述的一种小型生物质气内燃发电机组数字式一体化控制器，其特征 是，所述检测单元包括生物质气内燃发电机组的电压采集装置、电流采集装置、电流采集装 置、油压采集装置、水温采集装置以及并网母线电压采集装置。5.如权利要求1所述的一种小型生物质气内燃发电机组数字式一体化控制器，其特征 是，所述人机交互单元包括:键盘和液晶显示器。6.如权利要求1所述的一种小型生物质气内燃发电机组数字式一体化控制器，其特征 是，所述通信单元包括RS485/Modbus通讯方式和GPRS通讯方式。
【文档编号】F02D41/22GK205663522SQ201620589073
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】孙波, 张广乐, 张承慧, 刘金刚
【申请人】山东大学