儲熱系統(tǒng)(TESS)是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。由于太陽能資源具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性、間歇性與波動性，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的整體可靠性，以滿足變工況運(yùn)行的需要，華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院耿直等對槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的儲熱系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了優(yōu)化研究。以儲熱系統(tǒng)中的核心設(shè)備油/鹽換熱器里的熔融鹽蓄熱工質(zhì)為重點(diǎn)研究對象，采用比例、積分、微分(PID)控制理論，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下搭建了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。利用臨界比例度法確定了控制系統(tǒng)中諸多關(guān)鍵參數(shù)，整定了PID控制器中的比例系數(shù)、積分時間等物理量，并分析了階躍擾動下比例(P)控制、比例積分(PI)控制、PID控制這3類不同控制系統(tǒng)的各自動態(tài)響應(yīng)特性。
仿真對比分析結(jié)果表明:較另外2種控制方式，PID控制更能有效地削弱由于外界擾動而引起的儲熱系統(tǒng)振蕩，其動態(tài)響應(yīng)速度更快、調(diào)節(jié)時間更短，可滿足運(yùn)行穩(wěn)定性的要求。采用PID控制，降低了槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)用儲熱系統(tǒng)的控制難度，提高了對外界氣象資源變化的適應(yīng)性。該研究結(jié)果在學(xué)術(shù)與工程層面均有一定的指導(dǎo)意義。
文章對儲熱系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，認(rèn)為通過對儲熱系統(tǒng)的控制，能夠進(jìn)一步適應(yīng)太陽能資源的隨機(jī)性與波動性，從而在實(shí)際運(yùn)維過程中增加光熱電站的可調(diào)度性。
儲熱系統(tǒng)是連接前端光場與后端發(fā)電系統(tǒng)的紐帶。通過有效加強(qiáng)儲熱系統(tǒng)的控制研究，一方面可以使光熱發(fā)電作為電網(wǎng)的靈活性電源參與電力系統(tǒng)的調(diào)度，另一方面可與其他新能源有機(jī)耦合、多能互補(bǔ)地構(gòu)建微能源網(wǎng)，使總輸出穩(wěn)定、清潔與高效。儲熱系統(tǒng)的控制目標(biāo)主要是根據(jù)負(fù)荷側(cè)的具體需求，產(chǎn)生不同工況下的系統(tǒng)響應(yīng)，使光熱電站最終輸出較為穩(wěn)定的電能。該控制的難點(diǎn)在于:外界光照的不確定性與隨機(jī)波動性，導(dǎo)致前端聚光集熱系統(tǒng)吸熱不均勻，引起不同工況下內(nèi)部工質(zhì)熱學(xué)特性的變化，從而增加了控制的難度。因此，針對上述問題，本文采用PID控制器，建立滿足槽式太陽能熱發(fā)電儲熱系統(tǒng)要求的控制策略。利用MATLAB/Simulink軟件對儲熱系統(tǒng)優(yōu)化控制開展研究，并進(jìn)行參數(shù)整定與仿真分析，所得結(jié)果具有一定的學(xué)術(shù)與工程應(yīng)用價值。
圖1：槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
利用雙罐熔鹽顯熱儲熱的槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。根據(jù)經(jīng)驗公式，假設(shè)以油/鹽換熱器中蓄熱介質(zhì)熔融鹽的單位流量為輸入，以充放熱過程結(jié)束后油/鹽換熱器出口處熔融鹽的溫度為輸出，經(jīng)過模型推導(dǎo)得到如下傳遞函數(shù)：
分別對嵌入P、PI、PID控制系統(tǒng)后的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析，結(jié)果如圖2所示。
圖2：階躍響應(yīng)曲線
通過對比分析圖2中3種控制方式，可得出以下結(jié)果：
首先，比例控制的輸出量與被控量的誤差成正比。誤差一旦產(chǎn)生，比例控制器輸出不為0，輸出的比例控制量輸入至控制器調(diào)節(jié)系統(tǒng)再輸出，從而減小誤差，比例調(diào)節(jié)的動作迅速且超調(diào)量較小。但是其控制弱點(diǎn)在于不能消除穩(wěn)態(tài)誤差;隨著Kp值的繼續(xù)增大，其還會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
其次，引入積分環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差得以消除。這是因為積分環(huán)節(jié)的存在使得只要儲熱系統(tǒng)的熔鹽溫度存在誤差，積分器的輸出會不斷地累積，直到誤差為0。而在引入積分環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差的同時，過強(qiáng)的積分作用會使得系統(tǒng)的超調(diào)量增大，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。
最后，當(dāng)儲熱系統(tǒng)采用PID控制方案時，由于微分環(huán)節(jié)的作用，系統(tǒng)超調(diào)量降低、阻尼增加。在受到外界干擾時，微分作用可抑制被控量的變化，從而較好地改善系統(tǒng)動態(tài)性能。同時，由于比例、積分和微分的共同作用，較其他方案而言，PID控制更能有效地提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。
在儲熱單元油/鹽換熱器的控制系統(tǒng)中，被控量為換熱器出口熔融鹽的溫度。當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度發(fā)生變化時，如果流經(jīng)換熱器的導(dǎo)熱油流量不變，則換熱器出口熔融鹽溫度產(chǎn)生波動，從而偏離設(shè)定值。經(jīng)熔融鹽出口處的溫度變送器檢測后，通過比較變送器輸入處理器與設(shè)定值，控制系統(tǒng)可根據(jù)誤差信號進(jìn)行計算，產(chǎn)生對應(yīng)的控制信號，以調(diào)節(jié)熔鹽泵的相關(guān)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)最終目的——通過調(diào)節(jié)熔鹽泵的轉(zhuǎn)速變量參數(shù)，改變?nèi)廴邴}的流量的大小，使熔融鹽溫度在收到外界擾動的情況下可盡快恢復(fù)至原先的設(shè)定值，從而保證整個儲熱系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠。
研究結(jié)論
儲熱系統(tǒng)是槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，對于聯(lián)合前端光場與后端熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的耦合作用。對于外界可能存在的擾動變化，本文針對槽式太陽能電站中儲熱系統(tǒng)控制過程中的核心問題，建立了合理的動態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型，采用PID控制律并利用臨界比例度算法進(jìn)行了控制參數(shù)優(yōu)化。同時，利用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，開展了相關(guān)模擬工作，獲得了一定條件下控制器參數(shù)整定后的階躍響應(yīng)曲線，并進(jìn)一步分析了P控制、PI控制、PID控制系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)。
結(jié)合文中的仿真結(jié)果，可得出以下結(jié)論：與其他2種控制方式相比，PID控制能有效克服由于外界誤差變化而引起的儲熱系統(tǒng)振蕩;其動態(tài)響應(yīng)速度較P控制與PI控制方式更快，需要的調(diào)節(jié)時間更短。采用PID控制方案，可保證儲熱系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備“油/鹽換熱器”出口處的熔鹽參數(shù)維持在額定設(shè)定值范圍之內(nèi)，從而有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，合理地改善了儲熱單元控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。該研究對于太陽能熱發(fā)電儲熱工程實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
