引言目前燃气发电机组的功率调节，基本上都是通过发动机控制器和电子控制单元（ECU）实现。发动机控制器和ECU的组合具有应用时间长、应用领域广、技术层面比较成熟等优点。但是由于发动机控制器属于专用控制器，可扩展性和可编辑性通常受到局限，尤其是当发电机组采集较多信号，或者输入输出信号较多时，单独的发动机控制器可能无法实现对外围组件的控制，因此针对某些复杂发电机组，比如热电联产发电机组，需要额外增加通用型可编程逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller），实现对外围泵、阀等的控制。通用型可编程逻辑控制器，尤其是模块化的PLC，可根据控制需求实现灵活配置，比如数字量输入输出、模拟量输入输出、温度信号输入、压力信号输入以及通讯模块等。通用型PLC的一个优势就是实现对整个设备的集中管控[1]，而且通用型PLC经过长时间、大范围的推广应用，在可靠性和稳定性等方面已经非常成熟[2]。通用型PLC能够实现复杂系统的控制[3]，比如PID、PWM、高速计数、运动控制等，以及特殊算法的编写。基于通用型PLC和ECU的组合，能够充分发挥PLC的优势，尤其是针对外围设备较多的复杂系统，比如热电联产（CHP）、冷热电联产（CCHP）等，可以实现复杂系统的精确、稳定控制。1发电机输出功率燃气发电机组的原动机是燃气发动机，通过联轴器与一台三相异步电机相连。机组启动阶段，通过变频器拖动三相异步电机，电机转速逐渐达到额定值1 500 r/min，当变频器完成锁相后，通过接触器切换，切断变频器向异步电机供电回路，三相异步电机直接挂在电网上，燃气发动机通气、点火、输出有效转矩，燃气发电机组向电网输送有功功率。燃气发动机输出功率P、转速N和转矩T的关系为：P=T×N9 500 (1)发电机组发电并网后，发动机转速在电网约束下，基本保持不变，因此发动机输出功率由转矩决定。发动机输出功率的大小，受节气门开度的影响，节气门开度变大，进入燃烧室的空气量增多，燃烧产生的能量转化后的输出转矩就增大。可以通过控制节气门的开度，调节发电机组的输出功率。2控制框图基于通用型PLC的燃气发电机功率控制框图，如图1所示。通过人机界面（HMI）设定发电功率（有功），传送到可编程逻辑控制器PLC中。PLC通过参数整定后的PID算法，计算出设定发电功率对应的节气门开度，并通过CAN总线将数据传送到发动机ECU。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.009.F001图1通用型PLC的燃气发电机功率控制框图ECU接收节气门开度信号，通过驱动电路使节气门阀片旋转，达到设定开度。通过三相电能表采集实际输出有功功率，将功率的反馈值传送到PLC，形成功率闭环，PLC根据功率设定值和反馈值的偏差，进一步调整节气门开度。以上过程往复进行，直至输出功率达到目标值允许范围。3节气门数学模型及仿真节气门一般分为机械式和电子式，其中电子节气门可以通过控制器、驱动结构、位置传感器等形成闭环控制，并且响应速度快、精度高[4]，燃气发电机组常用的就是电子节气门。研究中所描述的节气门均为电子节气门。节气门由电机（直流）、传动齿轮、复位弹簧、挡板和位置传感器等组成[5]。为方便研究，对节气门的数学模型进行合理简化，忽略节气门内部的摩擦力矩和复位弹簧的初始扭矩[6]，得到节气门的传递函数表达式[7]：J=n2Jm+Jg (2)Gs=nkmJRS2+n2km2S+Rks (3)式中：J——总转动惯量，kg·m2；Jm——直流电机转子的转动惯量，kg·m2；Jg——阀片转动惯量，kg·m2；n——传动齿轮速比；km——直流电机反电动势系数，（V·s）/rad；R——直流电机的电枢绕组，Ω；ks——复位弹簧劲度系数，（N·m）/rad。燃气发动机使用的节气门品牌为BOSCH，相关参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.009.T001表1节气门参数参数数值传动齿轮速比n20直流电机反电动势系数km/［（V·s）/rad］0.022直流电机转子转动惯量Jm/（kg·m2）4×10-6阀片转动惯量Jg/（kg·m2）2×10-3复位弹簧劲度系数ks/［（N·m）/rad］3.88×10-4直流电机等效电阻R/Ω1.5根据节气门的参数，计算其传递函数，并在Matlab软件的Simulink中建立仿真模型，如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.009.F002图2节气门Simulink仿真激励信号选择阶跃信号Step，初始值为0，最终值为20（模拟发电有功功率20 kW）；PID控制器模块用来设置比例(P)、积分(I)、微分(D)参数，以及滤波系数；死区模块（Dead Zone）设置发电功率目标值的允许波动范围，本研究中发电功率波动范围设置为±0.3 kW；传递函数模块（Transfer Fcn）设置传递函数分子、分母的系数；示波器（Scope）用来观察仿真输出结果。通过对比例、积分、微分参数的多次调节，在消除超调、减少震荡的前提下，尽量缩短到达目标值的响应时间，得到输出功率仿真波形，如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.009.F003图3输出功率仿真波形4发电功率控制发电机并网后，转速在电网牵制下基本稳定，发电功率的控制通过调节节气门开度实现。在Simulink仿真过程中，由于模型是在理想状态下推导出的，可以通过参数调整，模拟平滑、快速的响应曲线。但是发电机组在实际工作过程中，输出功率响应速度过快，带来许多难以避免的其他类型问题。PLC中的PID算法，根据目标输出功率和实际反馈功率的偏差值，控制节气门的开度。4.1负功率控制发电机组并网之后，燃气电磁阀打开，发动机对外输出扭矩增大的过程中，发电机组对外输出为负功率，发电机启动阶段输出功率如图4所示。发电机输出功率在0~15 s时间内逐渐减小，在15~27 s之间由负功率逐渐增大至0。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.009.F004图4发电机启动阶段输出功率如果在发电机组输出负功率的时候就调用PID控制算法，则产生实际功率（负值）与设定功率（正值）偏差值过大的情况，而节气门开度的调节是根据功率偏差值调节，所以过大的偏差值将导致节气门开度瞬间达到最大值，而此时发动机内燃气浓度较低，输出转矩值将产生较大的波动，直接引起发动机、联轴器、发电机的抖动，并产生较大噪音。与此同时，由于燃烧不充分，尾气中NOx、HC、CO等含量超标。在发动机输出转矩逐渐增大、输出功率为负值时，可以将节气门开度设置为一个固定值（具体参考发电机稳定运行时输出功率为1 kW时节气门开度值），当输出功率由负值逐渐增大到正值时（比如0.5 kW），再让PID控制算法介入，可以有效防止由于功率偏差值过大而引起的振动等问题。4.2功率平滑控制发电机功率由启动阶段的负值增大到正值时，PLC内部设定好的PID控制算法开始介入。如果目标发电功率按照阶跃信号的形式给出，即PID开始调节的时候，反馈发电功率为0.5 kW左右，目标发电功率直接为最大值（比如20 kW），输出发电功率的趋势则非常陡峭，由图4可知，从0上升到20 kW，仅需10 s左右的时间。发电机输出功率迅速提升的过程中，发动机输出转矩快速增大，根据公式(1)可知，输出功率从0~20 kW，输出转矩将从0迅速提升到127 N·m（恒定1 500 r/min），在此过程中发动机、联轴器、发电机的连接部分发生较大振幅的抖动，对部件本身的损伤较大，而且容易引起发动机、发电机底座固定螺栓松动，发电机组整体的噪音和振动也较大。为了让发动机输出转矩平稳增加，需要对功率控制的PID算法进行改进。一种有效的方式是将输出功率的目标值，由阶跃信号转化为随时间平滑变化的动态值。在PLC编程过程中，可以通过定时器或者计数器实现。比如通过双向计数器，在功率上升阶段选用加计数；在功率下降阶段使用减计数，根据计数时间间隔，设定目标功率和计数目标值关系。比如计数器间隔为1 s，目标功率为20 kW，计数目标值设置为20，那么经过20 s，目标功率将从0线性增加到20 kW。如果计数器间隔为100 ms，目标功率仍为20 kW，那么计数器目标值需要设置为200，同样经过20 s后，目标功率线性增加至20 kW。通过PLC记录发电功率数据，功率调节曲线如图5所示。由图5(a)中可知，发电功率从A点（0.5 kW）到B点（5 kW）是第一个功率上升阶段，发电功率从C点（5 kW）到D点（20 kW）是第二个功率上升阶段，两段曲线的变化趋势比较平滑，在PID调节过程中出现了小幅度波动，没有持续振荡和超调现象，发电功率上升时间也相对合理。在功率平滑上升过程中，发电机组的振动和噪音明显减小，其中机组1 m处噪音下降大于20 dB。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.009.F005图5PLC记录发电功率调节曲线由图5(b)中可知，发电功率从E点（20 kW）下降到F点（5 kW），下降曲线的变化趋势同样比较平滑，功率调节时间在30 s左右，发电机组振动和噪音水平与功率上升阶段基本一致。4.3死区控制在传统PID算法中加入合理的死区控制，能够提高系统响应速度，减小系统控制量[8]。发电机组输出功率有一定的允许波动范围，比如20 kW输出功率的波动量需要控制在±0.3 kW以内。功率控制PID算法中，加入死区控制，约束区间设置为±0.3 kW，通过实际试验数据观察，加入死区控制后，输出功率接近目标功率的调整阶段，功率波动明显减少，调整时间也相对缩短。5通用型PLC控制系统在实际中的应用基于通用型PLC的燃气发动机功率控制系统，在一台微型燃气热电联产机组上（额定发电功率22 kW）得到验证，如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.009.F006图6微型燃气热电联产机组其中，机组控制器选用的是有CAN总线通讯功能的通用型可编程逻辑控制器（PLC），PLC在CAN总线协议内与发动机电子控制单元（ECU）通讯，通过节气门开度的闭环控制，从而实现机组输出发电功率的调节。6结语通用型PLC作为发电机组的主控制器，具有灵活性高、可扩展性强等优点，但是现阶段仍存在一些有待提升的地方。（1）硬件配置。在配置发电机组控制系统时，全面考虑机组功能的实现方式，比如通讯端口和协议、数字量输入输出、模拟量输入输出等。有的系统还有PWM输出、高速脉冲计数等需求，因此需要选取兼顾所有功能的硬件组合。（2）软件编程。CAN通讯遵守的协议中要求需要对ECU的报文格式进行解析，并计算控制器处理速度和通讯扫描周期的关系。（3）专用功能。目前发动机控制器集成了一些发电并网等专用功能，在通用型PLC上实现这些功能需要一定的专业知识和开发周期。通用型PLC的优点和缺点都很明显，但是通用型PLC价格相对低廉，尤其是对于电控系统占比较高的产品，通用型PLC的经济型和实用性更强。因此在分布式能源应用领域中，尤其是微型和小型分布式机组，通用型PLC在满足产品性能的前提下，可以显著降低产品成本，具有广阔的应用前景。