智能控制单元是微型燃气轮机发电机组的重要组成部分，是整个系统的中枢，对于实现机组智能化有着重要作用，微型燃气轮机发电机组智能控制单元见图2-18。智能控制单元的作用如下：

图2-18 微型燃气轮机发电机组智能控制单元

1）智能控制单元对发电机的输出电压、输出电流、直流母线电压等参数进行检测。

2）智能控制单元对双向变换器、逆变器的工作状态进行检测，根据输入的变化合理调整控制脉冲。

3）对输出回路的过电压、过电流、短路进行保护和采取中断措施。

4）控制部分要求完整的人机界面控制，故障自检，实现其所需的各项功能；同时应具有抗干扰能力，防止错误动作，能即时显示各部分参数变化和声光报警。

微型燃气轮机的控制任务不同于汽轮机。其控制任务和控制方案除了和它所带负荷有关之外，对其本身的特性有很大的依赖性。一方面由于燃气轮机是一个完整的动力装置，它只能通过对整个系统的综合控制才能完成，而且微型燃气轮机的一些部件又有自身的允许工况范围，在运行中必须把工况控制在允许的范围内（例如把压缩机控制在喘振线以内），显然这些范围和各部件本身的特性密切相关；另一方面由于不同类型（比如单轴、分轴等）的微型燃气轮机的特性有显著区别，这在很大程度上也限制了控制任务和控制方案。

微型燃气轮机的控制过程又有其独特性，其燃烧室和涡轮机之间的热通道较短，所引起的不稳定热交换较弱，在实际工程应用中可以忽略。同理，微型燃气轮机中压缩机和燃烧室之间的气体通道很短，容积小，所以该容积气体参数变化的影响可以不予考虑。因此与大型燃气轮机相比，微型燃气轮机对负荷变化的响应更快，控制过程的调节时间更短。但是正因为微型燃气轮机有快速响应能力，如果控制参数选择不好，就容易造成剧烈振荡甚至发散的结果，使控制质量恶化，给机组正常运行造成不良影响。

1.起动过程控制

起动过程控制是燃气轮机系统最重要的控制内容之一，它直接关系到系统是否能够成功起动。大中型燃气轮机的起动过程一般是从静止开始，由起动机带动冷机加速，然后喷入燃料点火燃烧，进入暖机过程；暖机之后仍然由起动机带动热机加速，直到起动机脱扣；而后燃气轮机自身加速到设计工况。微型燃气轮机的起动过程与大型燃气轮机的不同之处，在于首先由蓄电池给发电机供能，此时发电机用作起动电动机带动冷机升速；经过暖机过程以后，当涡轮机输出功率能够提供压缩机耗功时，发电机不再有起动机的作用，只输出电能，相当于起动机的脱扣。其过程如下：

1）微型燃气轮机软起动初始阶段。发电机用作起动机，发电机处于电动机状态，变换电路中的逆变桥截止；蓄电池组经DC-DC单元投入直流母线，经斩控整流桥逆变为0～400Hz的交流电供给发电机，使微型燃气轮机转速从零逐渐升高。

2）燃烧室的点火过程。当微型燃气轮机的转速被驱动到15000r/min（可调）的转速时，执行点火程序。点火成功后，起动工作喷嘴及其燃料工作调节阀，按起动曲线向燃烧室喷入燃料。

3）起动机与涡轮机共同驱动过程。从微型燃气轮机点火到转速上升至空载转速的95％前，采用闭环控制。微型燃气轮机点火后，涡轮机产生功率，涡轮机和起动机共同驱动，使微型燃气轮机转速持续上升，这时起动机电流将渐小。

4）起动机脱开过程。软起动单元实时检测起动机电流，当电流减小至某一值时，斩控整流桥截止。图2-19示出起动过程参数曲线。

5）涡轮机独立驱动过程。此时按供油关系，微型燃气轮机由涡轮机独立驱动，转速继续上升。

6）加速到空载转速过程。当微型燃气轮机转速上升到空载转速后，起动过程结束。

图2-19 起动过程参数曲线

2.转速燃料量控制

燃气轮机转速控制是控制的重要组成部分。功率转速调节模块使用串口接收逆变单元测量的电功率P₁，再与压缩机转矩变化量对应的功率P₂求和，其结果作为P_-n函数发生器功率输入信号P。功率输入信号进入P-n函数发生器后，按照功率_-转速最佳运行曲线输出速度输入信号。速度传感器检测到的发电机速度信号，经处理后得到速度反馈信号与速度输入信号的差值，作为燃气轮机转速调节控制器的输入信号。

转速和涡轮机入口温度。联合控制和发电用汽轮机一样，在正常运行时，微型燃气轮机的转速控制系统使得在一定负荷时维持转速基本不变。微型燃气轮机不同于大型发电用燃气轮机，其转速控制分为定转速和变转速两种方式。对于汽轮机，转速控制系统通过改变蒸汽流量来保持转速不变。而微型燃气轮机是通过改变燃料量来控制转速的。另外涡轮机入口温度过高，直接影响涡轮机的安全性及系统的寿命，因此涡轮机入口温度也是一个很重要的控制参数。在正常运行时，也是通过改变燃料量来控制涡轮机入口温度不超过其最大设计值。当涡轮机入口温度T₃＜T_3g时，燃料量只受转速控制系统控制；而当T₃＝T_3g时，燃料量只受最高温度限制系统控制。转速控制系统和最高温度限制系统通过小值选择器来决定合适的燃料消耗量，即比较两个系统所要求的燃料量取较小值，使得机组运行在安全范围之内。因此对于燃气轮机来说，转速和涡轮机入口温度是采用如图2-20所示联合控制方式。

图2-20 转速和涡轮机入口温度联合控制方式

n—运行转速 n_g—设定转速 T₃—涡轮机入口温度 T_3g—设计工况时的涡轮机入口温度(www.daowen.com)

3.回热器等辅助设备控制

回热器等辅助设备控制也是微型燃气轮机系统的重要组成部分。其中回热器的控制是通过调整主动阀和旁路阀的开度，来控制尾气与清洁空气的回热度，即热交换率来进行的，从而控制由压缩机进入燃烧室气体的温度和尾气的温度，提高了能源利用率。回热器的回热度计算公式如下：

R＝（T₂－T_2a）/（T₄－T_2a）

式中 T₂——回热器出口空气温度；

T_2a——回热器入口空气温度；

T₄——回热器入口燃料尾气温度。

给定回热器回热度与从现场总线接收的温度信号（T₂，T_2a，T₄）比较，求得的实际回热度的偏差作为回热器调节模块的输入量Q，经过控制器，将偏差信号转变成与阀开度成比例的4～20mA电流信号，由电流信号控制回热器阀门的开度，完成系统的闭环控制。

微型燃气轮机发电时，需要向燃气轮机供给燃料。提供的燃料分为气体燃料和液体燃料。在燃料供给压力保持恒定的情况下，通过调节燃料调节阀的开度，便可改变向燃烧室提供的燃料量，从而能够调节整个系统的输出功率。在此情况下，输出燃料量只与燃料调节阀的开度有关。燃料调节阀开得越大则系统输出功率越大；同理，燃料调节阀开得越小则系统输出功率越小。因此，燃料压力保持恒定是非常重要的。由于各种燃料的热含量值不同，所以要求的燃料泵出口压力也各不同。系统运行时，一旦某一种燃料及其热含量值被选定后，燃料泵出口压力也输出对应的恒压力值。

当系统工作时，首先选定某一种燃料及其热含量值，通过中央控制单元下传对应的燃料恒压力控制器的压力给定值；然后实时检测燃料泵后压力值，通过压力控制器对燃料压力进行调节，以保持燃料泵恒压力输出。当燃气轮机系统输出功率需要增加时，应增大燃料调节阀开度，此时燃料泵出口压力下降，可通过压力控制器控制变频器驱动燃料泵增加转速，使燃料泵出口压力重新稳定在压力给定值。

4.软起动斩波控制

PMSM的软起动控制是采用变压变频控制（V/F控制）。变压变频控制起动可以随意调节起动时间，满足系统起动时间的要求；起动电流小，可以减小对整流桥的冲击；可以根据PMSM的结构特点设定相应的s加速曲线，满足PMSM的起动特性的要求，同时可以防止失速的情况发生，这对于PMSM是非常重要的。由零转速到达点火条件转速时，燃气轮机为PMSM的纯负荷，不对外做功。因此在此升速范围内，V/F为恒定值。在零转速时加入力矩补偿。在到达点火条件转速时，燃气轮机点火。此后，燃气轮机开始做功，和软起动单元一同带动PMSM升速。随着燃气轮机转速的不断提升，到达自持运转转速后，燃气轮机自持运转，软起动结束。

逆变器为了实现输出三相对称400V、50Hz的交流电压，要求直流电压稳定在720V。这个电压由同步发电机交流信号整流得到。由于发电机在不同工况下变速运行，整流电压是变化的，所以要求直流斩波器有升降压功能，将直流母线电压稳定在720V。

对斩波器的控制，根据超调小于稳态电压的5％，调节时间小于100ms，稳态误差小于斩波控制目标电压720V的±5％等性能指标的要求，采用了便于数字化调节的增量式PID控制，并通过对PID控制器的优化设计和参数整定，实现系统对上述性能指标的要求。

5.电池控制

电池控制的作用是提供系统起动和自身维持运行的能量，并进行能量转换。它是通过升降压斩波控制和智能控制完成的，包括以下几个部分：

（1）智能充电控制 根据蓄电池的容量状态选择充电规律。充电的第一阶段采用均流充电方式，根据蓄电池的内阻的变化，逐渐增加充电电压，以维持稳定的充电电流，实现快速充电。第二阶段，维持给定的充电电压，进行均压充电，在充电电流逐渐降低到给定值时，电池容量基本恢复。此时留有裕量，以实现对直流母线电压突变进行缓冲。

（2）瞬间电力负荷管理 为了减少蓄电池的充放电次数，延长其使用寿命，在不影响直流母线恒定电压的最大极限内不进行控制，而由其他控制子系统进行响应调整。蓄电池控制子系统将采用传统PID控制方法，并结合死区控制方法。通过对检测的直流母线电压值进行周期采样计数，当母线电压的波动持续超过给定范围一定时间时，蓄电池控制系统才进行动作。

（3）温度补偿 检测环境温度，并根据环境温度的反馈信号，由微处理器发出充电电压给定值和充电电流给定值的补偿信号。

（4）放电保护 检测蓄电池的放电电流，并根据放电电流反馈信号的大小，决定蓄电池所允许的放电末期电压值。当蓄电池组的端电压低于所允许的放电末期电压值时，由微处理器发出保护信号，切断放电电路，停止蓄电池组对负荷供电。

（5）电池活化与自测试 长期闲置不用的蓄电池，需定期对蓄电池进行活化充放电控制，同时测试蓄电池组的实际容量。

6.逆变及并网控制

逆变功率电路主要由IGBT逆变桥、电力滤波器组成。对输入为720V（±40V）的直流电压进行逆变、滤波，形成符合国家供电标准的三相四线制电压。其主要功能为通过对直流母线电压、零线电流I_I、相电流I_q、相电压V_I、V_q等进行检测，形成闭环系统；通过控制算法改变PWM波形，控制IGBT的开关，完成逆变功能；再经过电力滤波器滤波，提供满足用户要求的输出电压。

设计中采用中性点可控的方式，增加一个桥臂以直接控制中性点电压，并产生中性点电流注入负荷。所增加的一个自由度，使三相四线逆变单元可以产生三个独立的相电压，从而有能力在不平衡和非线性负荷时维持三相输出相电压的对称。

系统三相电压通过正弦脉冲宽度调制（SPWM）控制器形成闭环回路，进行稳态闭环控制，控制器的参数可以通过设计或试验得出。并网运行工作方式是微型燃气轮机发电机组采用的整流-逆变输出方式，决定了其并网技术不能采用常规电站（发电机直接并网）并网方式。所以在并网时，检测电网及系统参数、处理这些参数和实施对输出逆变装置的控制等环节与一般的发电机并网是不同的。一般发电机并网是通过调节发电机的转速和励磁来改变电压的幅值、频率、相位，而本系统是通过调节内部控制电路来改变系统的电压幅值、频率和相位；并且一般发电机并网后就能做到同步跟踪，不易脱网，而本系统并网后需要实时检测电网和系统输出电压。微型燃气轮机发电机组并网前，由逆变环节控制器检测外网电参数（电压、频率、相位），以此调整微型燃气轮机发电机组输出的电参数，使之与外网完全同频率同相位，且电压幅值相等，即实现同期并网。正常调整时间不多于0.1s，并且在并网状态下还需要对系统输出进行实时控制，以保证输出与电网同频率同相位。