小型生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組數(shù)字式一體化控制器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種小型生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組數(shù)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(diào)速功能單元、調(diào)壓功能單元、并網(wǎng)功能單元、人機(jī)交互單元以及通信單元；本實(shí)用新型有益效果：不僅具有生物質(zhì)氣內(nèi)燃機(jī)調(diào)速和同步發(fā)電機(jī)調(diào)壓功能，還具有發(fā)電機(jī)并網(wǎng)功能、輸出功率檢測功能及各種保護(hù)功能，將分散的控制器整合集成，簡化了控制系統(tǒng)，降低了成本，便于安裝。
【專利說明】
小型生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組數(shù)字式一體化控制器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型專利涉及一種生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組控制器，尤其涉及一種具備調(diào)速、調(diào)壓、并網(wǎng)控制和整機(jī)監(jiān)控功能的生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組一體式控制器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]世界能源發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了兩次重大變革，第一次工業(yè)革命以前，人類的主要能源為薪柴。蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，推動了第一次工業(yè)革命的進(jìn)行，也促使煤炭逐漸取代薪柴。在19世紀(jì)70年代第二次工業(yè)革命中，內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)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(zhì)氣等可再生能源推上風(fēng)口浪尖，能源發(fā)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(zhì)能數(shù)量相當(dāng)巨大，是21世紀(jì)能源供應(yīng)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(zhì)發(fā)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(zhì)能極為豐富，主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的植物殘余廢棄物，牧漁業(yè)產(chǎn)生的動物類殘余廢棄物，農(nóng)工加工產(chǎn)生的殘余廢棄物和農(nóng)村城鎮(zhèn)生活垃圾等。但是，生物質(zhì)能源分布較分散，收集、運(yùn)輸和儲存困難，發(fā)展集中式生物質(zhì)能源利用難度較大，因此，小型生物質(zhì)氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)成為解決我國生物質(zhì)能利用問題的最佳方案之一。小型生物質(zhì)氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)一般指裝機(jī)容量小于500kW的系統(tǒng)，以生物質(zhì)氣內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)為主要動力裝置，并通過回收利用動力裝置的高溫?zé)煔?、缸套水，同時向用戶提供電能、制冷和供熱。
[0004]生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組是生物質(zhì)氣電冷熱轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，控制器是決定其性能的關(guān)鍵部件。生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組控制器主要包括調(diào)速器、調(diào)壓器、點(diǎn)火控制器以及整機(jī)監(jiān)控器。目前主要存在如下問題:
[0005](1)絕大多數(shù)生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組使用的控制系統(tǒng)有多個控制器構(gòu)成，調(diào)速器、 調(diào)壓器、點(diǎn)火控制器及整機(jī)監(jiān)控器相互獨(dú)立。調(diào)速控制器僅負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，調(diào)壓控制器負(fù)責(zé)維持輸出電壓穩(wěn)定，功能和空間布局上完全分離，系統(tǒng)集成度低，安裝不便。[〇〇〇6] (2)由于各控制器獨(dú)立，不能及時數(shù)據(jù)交換，通常各控制器都具備數(shù)據(jù)采集、控制執(zhí)行單元，既存在功能冗余問題，又無法實(shí)現(xiàn)整個發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)實(shí)時共享，整體協(xié)調(diào)性較差。
[0007](3)調(diào)速器、調(diào)壓器和整機(jī)監(jiān)控器獨(dú)立式的結(jié)構(gòu)，限制了系統(tǒng)響應(yīng)速度，延長了系統(tǒng)響應(yīng)時間，采用一體化控制器，可使控制系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度提高30%?50%。
[0008](4)目前控制器CPU性能強(qiáng)大，計(jì)算速度很快，外圍資源豐富。調(diào)速、調(diào)壓與整機(jī)監(jiān)控采用多個獨(dú)立的控制器，易造成資源浪費(fèi)，增加成本。
[0009]目前尚未發(fā)現(xiàn)專用于小型生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組，具有調(diào)速、調(diào)壓、并網(wǎng)與整機(jī)監(jiān)控功能的數(shù)字式一體化控制器。【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0010]本實(shí)用新型為了解決上述問題，提出了一種小型生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組數(shù)字式一體化控制器，使其具有內(nèi)燃機(jī)調(diào)速、同步發(fā)電機(jī)調(diào)壓、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)及整機(jī)監(jiān)控功能，提高了系統(tǒng)的集成度，縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時間，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了開發(fā)成本。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案:
[0012]—種小型生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組數(shù)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(diào)速功能單元、調(diào)壓功能單元、并網(wǎng)功能單元、人機(jī)交互單元以及通信單元；
[0013]所述主控單元包括:依次串聯(lián)連接的數(shù)據(jù)采集子單元、數(shù)據(jù)處理子單元和報(bào)警保護(hù)子單元。
[0014]所述數(shù)據(jù)采集子單元與檢測單元連接，所述數(shù)據(jù)采集子單元包括A/D轉(zhuǎn)換器，對檢測單元采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
[0015]所述數(shù)據(jù)處理子單元包括相互連接的濾波器和單片機(jī)。
[0016]所述檢測單元包括生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)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(wǎng)母線電壓采集裝置。
[0017]所述人機(jī)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(xié)議為Modbus協(xié)議，用于發(fā)電機(jī)組的組網(wǎng)與上位監(jiān)控，GPRS通訊為短信報(bào)警通信，用于發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)異常時，控制器向指定號碼發(fā)送報(bào)警短信。[〇〇19]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0020]1.生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組數(shù)字式一體化控制器，不僅具有生物質(zhì)氣內(nèi)燃機(jī)調(diào)速和同步發(fā)電機(jī)調(diào)壓功能，還具有發(fā)電機(jī)并網(wǎng)功能、輸出功率檢測功能及各種保護(hù)功能，將分散的控制器整合集成，簡化了控制系統(tǒng)，降低了成本，便于安裝。
[0021]2.發(fā)電機(jī)組的調(diào)速、調(diào)壓和并網(wǎng)功能由一體化控制器統(tǒng)一完成，各功能單元協(xié)調(diào)性好，提尚了實(shí)時響應(yīng)的動態(tài)性能。[〇〇22]3.通過上位計(jì)算機(jī)或人機(jī)交互單元，用戶可根據(jù)需要，對調(diào)速、調(diào)壓、并網(wǎng)功能進(jìn)行獨(dú)立開關(guān)，操作簡單，適用于發(fā)電機(jī)組單機(jī)和并網(wǎng)運(yùn)行?！靖綀D說明】[〇〇23]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；
[0024]其中，1、主控單元、2、檢測單元、3、功能按鍵、4、調(diào)速功能單元、5、調(diào)壓功能單元、 6、并網(wǎng)功能單元、7、液晶顯示單元、8、通信單元?！揪唧w實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0026]如圖1所示，生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組數(shù)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(diào)速功能單元4、調(diào)壓功能單元5、并網(wǎng)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(jī)交互單元。
[0027]主控單元1包括依次串聯(lián)連接的數(shù)據(jù)采集子單元、數(shù)據(jù)處理子單元和報(bào)警保護(hù)子單元。
[0028]數(shù)據(jù)采集子單元與檢測單元2連接，數(shù)據(jù)采集子單元包括A/D轉(zhuǎn)換器，對檢測單元采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。[〇〇29]數(shù)據(jù)處理子單元包括相互連接的濾波器和單片機(jī)。本實(shí)施例單片機(jī)選用 STM32F103ZET6型號單片機(jī)。
[0030]報(bào)警保護(hù)子單元接收數(shù)據(jù)處理子單元的指令發(fā)出報(bào)警信號，報(bào)警信號可以是聲光報(bào)警或者在液晶顯示單元7顯示報(bào)警信息。
[0031]主控單元1以STM32F103ZET6為核心，完成生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組數(shù)字式一體化控制器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及報(bào)警保護(hù)功能，液晶顯示單元6用于實(shí)時顯示發(fā)電機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)，發(fā)電機(jī)組在運(yùn)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(zhuǎn)速、電壓等參數(shù)的額定值和報(bào)警閾值進(jìn)行修改，同時，還可對調(diào)速、調(diào)壓、并網(wǎng)功能單元進(jìn)行獨(dú)立開關(guān)。
[0032]檢測單元2包括生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、油壓、水溫采集裝置以及并網(wǎng)母線電壓采集裝置。用于對生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、油壓、水溫以及并網(wǎng)母線電壓進(jìn)行實(shí)時檢測。
[0033]調(diào)速功能單元用于控制兩路電子執(zhí)行器，一路為生物質(zhì)氣進(jìn)氣控制電子執(zhí)行器， 一路為混合氣進(jìn)氣控制電子執(zhí)行器，兩路執(zhí)行器控制電路一樣，如圖2所示。調(diào)速功能單元可以采用調(diào)速器實(shí)現(xiàn)。
[0034]調(diào)壓控制單元從發(fā)電機(jī)輸出端取電，經(jīng)整流濾波后，通過控制電路進(jìn)行調(diào)制，用于控制發(fā)電機(jī)勵磁機(jī)定子電壓，整流電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，控制電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。調(diào)壓控制單元可以采用調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)。
[0035]并網(wǎng)功能單元主要指通過調(diào)速調(diào)壓單元的調(diào)節(jié)，使得發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率幅值相位相序與母線電壓相同，達(dá)到并網(wǎng)條件時，輸出并網(wǎng)控制信號，用于控制外部接觸器和斷路器合閘并網(wǎng)，并網(wǎng)控制信號輸出電路如圖5所示。并網(wǎng)功能單元可以采用并網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)。
[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(xié)議為Modbus協(xié)議，用于發(fā)電機(jī)組的組網(wǎng)與上位監(jiān)控，GPRS通訊為短信報(bào)警通信，用于發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)異常時，控制器向指定號碼發(fā)送報(bào)警短信。
[0037]生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組在啟動和運(yùn)行過程中，主控單元1采集轉(zhuǎn)速信號，將實(shí)際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比，根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的偏差，進(jìn)行PID計(jì)算，調(diào)整調(diào)速功能單元4中的PWM信號脈沖寬度，從而改變電子執(zhí)行器控制電壓，使內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速維持在額定轉(zhuǎn)速。
[0038]調(diào)壓功能單元5整流模塊對發(fā)電機(jī)交流輸出電壓進(jìn)行整流、濾波處理，得到穩(wěn)定的直流電源，同時，主控單元1采集發(fā)電機(jī)輸出電壓信號，將實(shí)際電壓與額定電壓進(jìn)行對照，根據(jù)偏差進(jìn)行PID計(jì)算，通過對調(diào)壓功能單元5整流模塊所得直流電源進(jìn)行PWM調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對整流單元所得直流電源的DC/DC變換，改變勵磁機(jī)定子電壓，使同步發(fā)電機(jī)輸出電壓維持在額定電壓。
[0039]生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組在啟動并網(wǎng)功能后，檢測單元2對并網(wǎng)母線電壓與發(fā)電機(jī)電壓進(jìn)行降壓、改變基準(zhǔn)點(diǎn)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(diào)理后的電壓信號并對其進(jìn)行信號還原，解析兩個電壓信號的實(shí)際幅值、相位等，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓與并網(wǎng)母線電壓幅值、頻率、相位、相序滿足并網(wǎng)條件時，并網(wǎng)控制單元6控制合閘并網(wǎng)，發(fā)電機(jī)進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓不滿足并網(wǎng)條件時，通過調(diào)速功能單元4和調(diào)壓功能單元5對發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到其滿足并網(wǎng)條件。
[0040]在并網(wǎng)運(yùn)行過程中，通過調(diào)速功能單元4調(diào)整發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣量以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功功率調(diào)節(jié)，調(diào)壓功能單元5調(diào)整發(fā)電機(jī)勵磁電壓來實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)。
[0041]生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，一旦機(jī)組出現(xiàn)超速、欠速、過壓、過流、過載、 超頻、欠頻等問題，主控單元1產(chǎn)生相關(guān)報(bào)警，并通過液晶顯示單元7顯示具體報(bào)警信息，在規(guī)定時間內(nèi)該參數(shù)未恢復(fù)至正常范圍，主控單元1即控制發(fā)電機(jī)組進(jìn)行停機(jī)保護(hù)，保證機(jī)組和人員安全，同時，GPRS通信模塊向管理人員發(fā)送短信報(bào)告發(fā)電機(jī)組停機(jī)信息。
[0042]生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組控制器運(yùn)行過程中，通訊單元8將內(nèi)燃機(jī)相關(guān)參數(shù)、發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)及并網(wǎng)母線相關(guān)參數(shù)實(shí)時傳輸至上位計(jì)算機(jī)，同時，接收來自上位計(jì)算機(jī)的控制指令，使用戶可以通過上位計(jì)算機(jī)完成對發(fā)電機(jī)組的控制。
[0043]上述雖然結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種小型生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組數(shù)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(diào)速功能單元、調(diào)壓功能單元、并網(wǎng)功能單元、人機(jī)交 互單元以及通信單元；所述主控單元包括:依次串聯(lián)連接的數(shù)據(jù)采集子單元、數(shù)據(jù)處理子單元和報(bào)警保護(hù)子 單元。2.如權(quán)利要求1所述的一種小型生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組數(shù)字式一體化控制器，其特征 是，所述數(shù)據(jù)采集子單元與檢測單元連接，所述數(shù)據(jù)采集子單元包括A/D轉(zhuǎn)換器，對檢測單 元采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。3.如權(quán)利要求1所述的一種小型生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組數(shù)字式一體化控制器，其特征 是，所述數(shù)據(jù)處理子單元包括相互連接的濾波器和單片機(jī)。4.如權(quán)利要求1所述的一種小型生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組數(shù)字式一體化控制器，其特征 是，所述檢測單元包括生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)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(wǎng)母線電壓采集裝置。5.如權(quán)利要求1所述的一種小型生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組數(shù)字式一體化控制器，其特征 是，所述人機(jī)交互單元包括:鍵盤和液晶顯示器。6.如權(quán)利要求1所述的一種小型生物質(zhì)氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組數(shù)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(fā)明人】孫波, 張廣樂, 張承慧, 劉金剛
【申請人】山東大學(xué)