小型生物質氣內燃發電機組數字式一體化控制器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種小型生物質氣內燃發電機組數字式一體化控制器,包括:主控單元以及與主控單元分別連接的檢測單元、調速功能單元、調壓功能單元、并網功能單元、人機交互單元以及通信單元;本實用新型有益效果:不僅具有生物質氣內燃機調速和同步發電機調壓功能,還具有發電機并網功能、輸出功率檢測功能及各種保護功能,將分散的控制器整合集成,簡化了控制系統,降低了成本,便于安裝。
【專利說明】
小型生物質氣內燃發電機組數字式一體化控制器
技術領域
[0001]本實用新型專利涉及一種生物質氣內燃發電機組控制器,尤其涉及一種具備調速、調壓、并網控制和整機監控功能的生物質氣內燃發電機組一體式控制器。【背景技術】
[0002]世界能源發展已經經歷了兩次重大變革,第一次工業革命以前,人類的主要能源為薪柴。蒸汽機的出現,推動了第一次工業革命的進行,也促使煤炭逐漸取代薪柴。在19世紀70年代第二次工業革命中,內燃機的出現使得石油逐步替代煤炭。而隨著石油、天然氣等不可再生能源的日趨枯竭,又將生物質氣等可再生能源推上風口浪尖,能源發展正處于第三次變革時期。作為可再生能源的重要組成部分,生物質能數量相當巨大,是21世紀能源供應中最具潛力的能源之一。因它來自自然界,無污染,同時又可再生利用而引起各國的重視。在今后幾年,生物質發電的市場價值將從2010年的450億美元增加到2020年的530億美J L 〇
[0003]我國的生物質能極為豐富,主要包括農業生產中產生的植物殘余廢棄物,牧漁業產生的動物類殘余廢棄物,農工加工產生的殘余廢棄物和農村城鎮生活垃圾等。但是,生物質能源分布較分散,收集、運輸和儲存困難,發展集中式生物質能源利用難度較大,因此,小型生物質氣冷熱電聯供系統成為解決我國生物質能利用問題的最佳方案之一。小型生物質氣冷熱電聯供系統一般指裝機容量小于500kW的系統,以生物質氣內燃機或燃氣輪機為主要動力裝置,并通過回收利用動力裝置的高溫煙氣、缸套水,同時向用戶提供電能、制冷和供熱。
[0004]生物質氣內燃發電機組是生物質氣電冷熱轉換的核心設備,控制器是決定其性能的關鍵部件。生物質氣內燃發電機組控制器主要包括調速器、調壓器、點火控制器以及整機監控器。目前主要存在如下問題:
[0005](1)絕大多數生物質氣內燃發電機組使用的控制系統有多個控制器構成,調速器、 調壓器、點火控制器及整機監控器相互獨立。調速控制器僅負責轉速調節,調壓控制器負責維持輸出電壓穩定,功能和空間布局上完全分離,系統集成度低,安裝不便。[〇〇〇6] (2)由于各控制器獨立,不能及時數據交換,通常各控制器都具備數據采集、控制執行單元,既存在功能冗余問題,又無法實現整個發電機組數據實時共享,整體協調性較差。
[0007](3)調速器、調壓器和整機監控器獨立式的結構,限制了系統響應速度,延長了系統響應時間,采用一體化控制器,可使控制系統的整體響應速度提高30%?50%。
[0008](4)目前控制器CPU性能強大,計算速度很快,外圍資源豐富。調速、調壓與整機監控采用多個獨立的控制器,易造成資源浪費,增加成本。
[0009]目前尚未發現專用于小型生物質氣內燃發電機組,具有調速、調壓、并網與整機監控功能的數字式一體化控制器。【實用新型內容】
[0010]本實用新型為了解決上述問題,提出了一種小型生物質氣內燃發電機組數字式一體化控制器,使其具有內燃機調速、同步發電機調壓、發電機并網及整機監控功能,提高了系統的集成度,縮短了系統響應時間,簡化了系統結構,降低了開發成本。
[0011]為實現上述目的,本實用新型采用下述技術方案:
[0012]—種小型生物質氣內燃發電機組數字式一體化控制器,包括:主控單元以及與主控單元分別連接的檢測單元、調速功能單元、調壓功能單元、并網功能單元、人機交互單元以及通信單元;
[0013]所述主控單元包括:依次串聯連接的數據采集子單元、數據處理子單元和報警保護子單元。
[0014]所述數據采集子單元與檢測單元連接,所述數據采集子單元包括A/D轉換器,對檢測單元采集到的數據進行A/D轉換。
[0015]所述數據處理子單元包括相互連接的濾波器和單片機。
[0016]所述檢測單元包括生物質氣內燃發電機組的電壓采集裝置、電流采集裝置、電流采集裝置、油壓采集裝置、水溫采集裝置以及并網母線電壓采集裝置。
[0017]所述人機交互單元包括:鍵盤和液晶顯示器。
[0018]所述通信單元包括RS485/Modbus通訊與GPRS通訊,RS485/Modbus通訊指電氣接口為RS485模式,通訊協議為Modbus協議,用于發電機組的組網與上位監控,GPRS通訊為短信報警通信,用于發電機組出現異常時,控制器向指定號碼發送報警短信。[〇〇19]本實用新型的有益效果是:
[0020]1.生物質氣內燃發電機組數字式一體化控制器,不僅具有生物質氣內燃機調速和同步發電機調壓功能,還具有發電機并網功能、輸出功率檢測功能及各種保護功能,將分散的控制器整合集成,簡化了控制系統,降低了成本,便于安裝。
[0021]2.發電機組的調速、調壓和并網功能由一體化控制器統一完成,各功能單元協調性好,提尚了實時響應的動態性能。[〇〇22]3.通過上位計算機或人機交互單元,用戶可根據需要,對調速、調壓、并網功能進行獨立開關,操作簡單,適用于發電機組單機和并網運行。【附圖說明】[〇〇23]圖1為本實用新型的結構框圖;
[0024]其中,1、主控單元、2、檢測單元、3、功能按鍵、4、調速功能單元、5、調壓功能單元、 6、并網功能單元、7、液晶顯示單元、8、通信單元。【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。
[0026]如圖1所示,生物質氣內燃發電機組數字式一體化控制器,包括主控單元1、檢測單元2、功能按鍵3、調速功能單元4、調壓功能單元5、并網功能單元6、液晶顯示單元7、通訊單元8。其中,功能按鍵3和液晶顯示單元共同組成了人機交互單元。
[0027]主控單元1包括依次串聯連接的數據采集子單元、數據處理子單元和報警保護子單元。
[0028]數據采集子單元與檢測單元2連接,數據采集子單元包括A/D轉換器,對檢測單元采集到的數據進行A/D轉換。[〇〇29]數據處理子單元包括相互連接的濾波器和單片機。本實施例單片機選用 STM32F103ZET6型號單片機。
[0030]報警保護子單元接收數據處理子單元的指令發出報警信號,報警信號可以是聲光報警或者在液晶顯示單元7顯示報警信息。
[0031]主控單元1以STM32F103ZET6為核心,完成生物質氣內燃發電機組數字式一體化控制器的數據采集、數據處理及報警保護功能,液晶顯示單元6用于實時顯示發電機組各項參數,發電機組在運行過程中允許通過液晶顯示單元6與功能按鍵單元3對轉速、電壓等參數的額定值和報警閾值進行修改,同時,還可對調速、調壓、并網功能單元進行獨立開關。
[0032]檢測單元2包括生物質氣內燃發電機組的電壓、電流、轉速、油壓、水溫采集裝置以及并網母線電壓采集裝置。用于對生物質氣內燃發電機組的電壓、電流、轉速、油壓、水溫以及并網母線電壓進行實時檢測。
[0033]調速功能單元用于控制兩路電子執行器,一路為生物質氣進氣控制電子執行器, 一路為混合氣進氣控制電子執行器,兩路執行器控制電路一樣,如圖2所示。調速功能單元可以采用調速器實現。
[0034]調壓控制單元從發電機輸出端取電,經整流濾波后,通過控制電路進行調制,用于控制發電機勵磁機定子電壓,整流電路結構如圖3所示,控制電路結構如圖4所示。調壓控制單元可以采用調壓器實現。
[0035]并網功能單元主要指通過調速調壓單元的調節,使得發電機輸出電壓的頻率幅值相位相序與母線電壓相同,達到并網條件時,輸出并網控制信號,用于控制外部接觸器和斷路器合閘并網,并網控制信號輸出電路如圖5所示。并網功能單元可以采用并網控制器實現。
[0036]通信單元包括RS485/Modbus通訊與GPRS通訊,RS485/Modbus通訊指電氣接口為 RS485模式,通訊協議為Modbus協議,用于發電機組的組網與上位監控,GPRS通訊為短信報警通信,用于發電機組出現異常時,控制器向指定號碼發送報警短信。
[0037]生物質氣內燃發電機組在啟動和運行過程中,主控單元1采集轉速信號,將實際轉速與額定轉速進行對比,根據實際轉速與額定轉速的偏差,進行PID計算,調整調速功能單元4中的PWM信號脈沖寬度,從而改變電子執行器控制電壓,使內燃機轉速維持在額定轉速。
[0038]調壓功能單元5整流模塊對發電機交流輸出電壓進行整流、濾波處理,得到穩定的直流電源,同時,主控單元1采集發電機輸出電壓信號,將實際電壓與額定電壓進行對照,根據偏差進行PID計算,通過對調壓功能單元5整流模塊所得直流電源進行PWM調制,實現對整流單元所得直流電源的DC/DC變換,改變勵磁機定子電壓,使同步發電機輸出電壓維持在額定電壓。
[0039]生物質氣內燃發電機組在啟動并網功能后,檢測單元2對并網母線電壓與發電機電壓進行降壓、改變基準點等處理,供主控單元1完成對電壓信號的整周期采樣,主控單元1 采樣調理后的電壓信號并對其進行信號還原,解析兩個電壓信號的實際幅值、相位等,當發電機輸出電壓與并網母線電壓幅值、頻率、相位、相序滿足并網條件時,并網控制單元6控制合閘并網,發電機進入并網運行狀態;當發電機輸出電壓不滿足并網條件時,通過調速功能單元4和調壓功能單元5對發電機組的轉速、電壓進行調節,直到其滿足并網條件。
[0040]在并網運行過程中,通過調速功能單元4調整發電機組進氣量以實現發電機有功功率調節,調壓功能單元5調整發電機勵磁電壓來實現發電機無功功率調節。
[0041]生物質氣內燃發電機組運行過程中,一旦機組出現超速、欠速、過壓、過流、過載、 超頻、欠頻等問題,主控單元1產生相關報警,并通過液晶顯示單元7顯示具體報警信息,在規定時間內該參數未恢復至正常范圍,主控單元1即控制發電機組進行停機保護,保證機組和人員安全,同時,GPRS通信模塊向管理人員發送短信報告發電機組停機信息。
[0042]生物質氣內燃發電機組控制器運行過程中,通訊單元8將內燃機相關參數、發電機相關參數及并網母線相關參數實時傳輸至上位計算機,同時,接收來自上位計算機的控制指令,使用戶可以通過上位計算機完成對發電機組的控制。
[0043]上述雖然結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述,但并非對本實用新型保護范圍的限制,所屬領域技術人員應該明白,在本實用新型的技術方案的基礎上,本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。
【主權項】
1.一種小型生物質氣內燃發電機組數字式一體化控制器,其特征是,包括:主控單元以 及與主控單元分別連接的檢測單元、調速功能單元、調壓功能單元、并網功能單元、人機交 互單元以及通信單元;所述主控單元包括:依次串聯連接的數據采集子單元、數據處理子單元和報警保護子 單元。2.如權利要求1所述的一種小型生物質氣內燃發電機組數字式一體化控制器,其特征 是,所述數據采集子單元與檢測單元連接,所述數據采集子單元包括A/D轉換器,對檢測單 元采集到的數據進行A/D轉換。3.如權利要求1所述的一種小型生物質氣內燃發電機組數字式一體化控制器,其特征 是,所述數據處理子單元包括相互連接的濾波器和單片機。4.如權利要求1所述的一種小型生物質氣內燃發電機組數字式一體化控制器,其特征 是,所述檢測單元包括生物質氣內燃發電機組的電壓采集裝置、電流采集裝置、電流采集裝 置、油壓采集裝置、水溫采集裝置以及并網母線電壓采集裝置。5.如權利要求1所述的一種小型生物質氣內燃發電機組數字式一體化控制器,其特征 是,所述人機交互單元包括:鍵盤和液晶顯示器。6.如權利要求1所述的一種小型生物質氣內燃發電機組數字式一體化控制器,其特征 是,所述通信單元包括RS485/Modbus通訊方式和GPRS通訊方式。
【文檔編號】F02D41/22GK205663522SQ201620589073
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月16日
【發明人】孫波, 張廣樂, 張承慧, 劉金剛
【申請人】山東大學