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华北电力大学:采用PID控制,可降低槽式太阳能热发电?#20302;?#20013;储热?#20302;?#30340;控制难度
发布者:lzx | 来源:华北电力大学能源动力与机械工程学院 | 0评论 | 1360查看 | 2019-05-09 19:01:18    

储热?#20302;常═ESS)是太阳能热发电?#20302;?#30340;重要组成部分。由于太阳能资源具有强?#19994;?#38543;机性、间歇性与波动性,为进一步提高?#20302;?#30340;整体可靠性,以满足变工况运行的需要,华北电力大学能源动力与机械工程学院耿直等对槽式太阳能热发电?#20302;?#20013;的储热?#20302;?#25511;制策略进行了优化研究。以储热?#20302;?#20013;的核心设备油/盐换热器里的熔融盐蓄热工质为重点研究对象,采用比例、积分、微分(PID)控制理论,在MATLAB/Simulink仿真环境下搭建了?#20302;?#25968;学模型。利用临界比例度法确定了控制?#20302;?#20013;诸多关键参数,整定了PID控制器中的比例系数、积分时间等物理量,并分析了阶跃扰动下比例(P)控制、比例积分(PI)控制、PID控制这3类不同控制?#20302;?#30340;各自动态响应特性。


仿真对比分析结果表明:较另外2种控制方式,PID控制更能?#34892;?#22320;削弱由于外界扰动而引起的储热?#20302;?#25391;荡,其动态响应速度更快、调节时间更短,可满足运行稳定性的要求。采用PID控制,降低了槽式太阳能热发电?#20302;?#29992;储热?#20302;?#30340;控制难度,提高了对外界气象资源变化的适应性。该研究结果在学术与工程层面均有一定的指导意义。


研究重点


文章对储热?#20302;?#30740;究现状进行了分析,认为通过对储热?#20302;?#30340;控制,能够进一步适应太阳能资源的随机性与波动性,从而在?#23548;?#36816;维过程中增加光热电站的可调度性。


储热?#20302;?#26159;连接前端光场与后端发电?#20302;?#30340;纽带。通过?#34892;?#21152;强储热?#20302;?#30340;控制研究,一方面可以使光热发电作为电网的灵活性电源参与电力?#20302;?#30340;调度,另一方面可与其他新能源有机耦合、多能互?#27807;?#26500;建微能源网,使总输出稳定、清洁与高效。储热?#20302;?#30340;控制目标主要是根据负荷侧的具体需求,产生不同工况下的?#20302;?#21709;应,使光热电站最终输出较为稳定的电能。该控制的难点在于:外界光照的不确定性与随机波动性,导致前端聚光集热?#20302;?#21560;热不均匀,引起不同工况下内部工质热学特性的变化,从而增加了控制的难度。因此,针对上述问题,本文采用PID控制器,建立满足槽式太阳能热发电储热?#20302;?#35201;求的控制策略。利用MATLAB/Simulink软件对储热?#20302;?#20248;化控制开展研究,并进行参数整定与仿真分析,所?#23186;?#26524;具有一定的学术与工程应用价值。


图1.jpg

图1:槽式太阳能热发电?#20302;?#32467;构图


利用双罐熔盐显热储热的槽式太阳能热发电?#20302;?#30340;物理结构模型如图1所示。根据经验公式,假设以油/盐换热器中蓄热介质熔融盐的单位流量为输入,以充放热过程结束后油/盐换热器出口处熔融盐的温度为输出,经过模型推导得到如下传递函数:


公式1.jpg


表1.jpg


分别对?#24230;隤、PI、PID控制?#20302;?#21518;的温度控制?#20302;?#36827;行模拟仿真分析,结果如图2所示。


图2.jpg

图2:阶跃响应曲线


通过对比分析图2中3种控制方式,可得出以下结果:


首先,比例控制的输出量与被控量的误差成正比。误差一旦产生,比例控制器输出不为0,输出的比例控制量输入至控制器调节?#20302;?#20877;输出,从而减小误差,比例调节的动作迅速?#39029;?#35843;量较小。但是其控制弱点在于不能消除稳态误差;随着Kp值的继续增大,其还会引起?#20302;?#30340;不稳定。


其次,引入积分环节后,?#20302;?#31283;态误差得以消除。这是因为积分环节的存在?#27807;?#21482;要储热?#20302;?#30340;熔盐温度存在误差,积?#21046;?#30340;输出会不?#31995;?#32047;积,直到误差为0。而在引入积分环节消除稳态误差的同时,过强的积分作用会?#27807;孟低?#30340;超调量增大,不利于?#20302;?#31283;定。


最后,当储热?#20302;?#37319;用PID控制方案时,由于微分环节的作用,?#20302;?#36229;调量降低、阻尼增加。在受到外界干扰时,微分作用可抑制被控量的变化,从而较好地改善?#20302;?#21160;态性能。同时,由于比例、积分和微分的共同作用,较其他方案而言,PID控制更能?#34892;?#22320;提高?#20302;?#30340;动态响应速度。


在储热单元油/盐换热器的控制?#20302;?#20013;,被控量为换热器出口熔融盐的温度。当太阳辐射强度发生变化时,如果流经换热器的导热油流量不变,则换热器出口熔融盐温度产生波动,从而偏离设定值。经熔融盐出口处的温度变?#25512;?#26816;测后,通过比较变?#25512;?#36755;入处理器与设定值,控制?#20302;?#21487;根据误差信号进行计算,产生对应的控制信号,以调节熔盐泵的相关参数,并实现最终目的——通过调节熔盐泵的转速变量参数,改变熔融盐的流量的大小,使熔融盐温度在收到外界扰动的情况下可尽快?#25351;?#33267;原先的设定值,从而保证整个储热?#20302;?#30340;稳定与可靠。


研究结论


储热?#20302;?#26159;槽式太阳能热发电?#20302;?#30340;重要组成部分,对于联合前端光场与后端热功转换?#20302;?#20855;有强?#19994;?#32806;合作用。对于外界可能存在的扰动变化,本文针对槽式太阳能电站中储热?#20302;?#25511;制过程中的核心问题,建立了合理的动态仿真数学模型,采用PID控制律并利用临界比例度算法进行了控制参数优化。同时,利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建?#20302;?#25968;学模型,开展了相关模拟工作,获得了一定条件下控制器参数整定后的阶跃响应曲线,并进一步分析了P控制、PI控制、PID控制?#20302;?#30340;各项性能指标。


结合文中的仿真结果,可得出以下结论:与其他2种控制方式相比,PID控制能?#34892;?#20811;服由于外界误差变化而引起的储热?#20302;?#25391;荡;其动态响应速度较P控制与PI控制方式更快,需要的调节时间更短。采用PID控制方案,可保证储热?#20302;?#20013;关键设备“油/盐换热器”出口处的熔盐参数维持在额定设定值范围之内,从而?#34892;?#22320;提高了?#20302;?#30340;稳定性与可靠性,合理地改善了储热单元控制?#20302;?#30340;动态性能。该研究对于太阳能热发电储热工程?#23548;?#24212;用具有一定的指导意义。

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