华北电力大学:采用PID控制,可降低槽式太阳能热发电系统中储热系统的控制难度
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 | 1624查看 | 2019-05-09 19:01:18    

储热系统(TESS)是太阳能热发电系统的重要组成部分。由于太阳能资源具有强烈的随机性、间歇性与波动性,为进一步提高系统的整体可靠性,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系统中的储热系统控制策略进行了优化研究。以储热系统中的核心设备油/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仿真环境下搭建了系统数学模型。利用临界比例度法确定了控制系统中诸多关键参数,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类不同控制系统的各自动态响应特性。


仿真对比分析结果表明:较另外2种控制方式,PID控制更能有效地削弱由于外界扰动而引起的储热系统振荡,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系统用储热系统的控制难度,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


文章对储热系统研究现状进行了分析,认为通过对储热系统的控制,能够进一步适应太阳能资源的随机性与波动性,从而在实际运维过程中增加光热电站的可调度性。


储热系统是连接前端光场与后端发电系统的纽带。通过有效加强储热系统的控制研究,一方面可以使光热发电作为电网的灵活性电源参与电力系统的调度,另一方面可与其他新能源有机耦合、多能互补地构建微能源网,使总输出稳定、清洁与高效。储热系统的控制目标主要是根据负荷侧的具体需求,产生不同工况下的系统响应,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,导致前端聚光集热系统吸热不均匀,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系统要求的控制策略。利用MATLAB/Simulink软件对储热系统优化控制开展研究,并进行参数整定与仿真分析,所得结果具有一定的学术与工程应用价值。


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图1:槽式太阳能热发电系统结构图


利用双罐熔盐显热储热的槽式太阳能热发电系统的物理结构模型如图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


分别对嵌入P、PI、PID控制系统后的温度控制系统进行模拟仿真分析,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系统再输出,从而减小误差,比例调节的动作迅速且超调量较小。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,其还会引起系统的不稳定。


其次,引入积分环节后,系统稳态误差得以消除。这是因为积分环节的存在使得只要储热系统的熔盐温度存在误差,积分器的输出会不断地累积,直到误差为0。而在引入积分环节消除稳态误差的同时,过强的积分作用会使得系统的超调量增大,不利于系统稳定。


最后,当储热系统采用PID控制方案时,由于微分环节的作用,系统超调量降低、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,从而较好地改善系统动态性能。同时,由于比例、积分和微分的共同作用,较其他方案而言,PID控制更能有效地提高系统的动态响应速度。


在储热单元油/盐换热器的控制系统中,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送器检测后,通过比较变送器输入处理器与设定值,控制系统可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恢复至原先的设定值,从而保证整个储热系统的稳定与可靠。


研究结论


储热系统是槽式太阳能热发电系统的重要组成部分,对于联合前端光场与后端热功转换系统具有强烈的耦合作用。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系统控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仿真软件搭建系统数学模型,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控制系统的各项性能指标。


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控制能有效克服由于外界误差变化而引起的储热系统振荡;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,可保证储热系统中关键设备“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,从而有效地提高了系统的稳定性与可靠性,合理地改善了储热单元控制系统的动态性能。该研究对于太阳能热发电储热工程实际应用具有一定的指导意义。

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