CN112528542A - 一种考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法及控制方法。光热发电系统能量来源于太阳辐射，但是太阳辐射具有间歇性和波动性，大幅波动可能导致集热器表面过热损坏，通过切换光热发电系统集热器的工作模式，可避免集热器因太阳辐射强度突增退出运行，提高系统太阳能利用效率。本发明充分考虑了光照强度和波动对集热器工作模式的影响，基于集总参数下的微元分段线性化方法，建立光热发电系统光‑热和热‑电转换环节动态模型，该模型对云遮挡等暂态情况下光热发电系统储热状态描述更为精确，适用于光热发电系统并网运行的动态仿真分析，参与电力系统运行与控制奠定基础。

Description

一种考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法及控 制方法

技术领域

本发明属于电力系统可再生能源建模技术领域，具体涉及一种考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法及控制方法。

背景技术

光热发电作为新型大容量太阳能发电技术，近年来在我国及世界各国迎来高速发展。光热发电技术通过定日镜聚焦太阳光加热集热器中的换热介质，流经换热器产生高温高压蒸汽推动机组旋转发电。受太阳固有资源属性影响，太阳辐射随机波动且有强不确定性。光热发电系统通过配备储热系统平移太阳能发电时段，可稳定持续发电。与其他可再生能源发电相比，光热发电系统的可控性更好，运行方式更加灵活多样，可参与电网调频、备用，调峰等辅助服务，为电网安全稳定运行提供有力支撑。

目前，对于光热发电并网运行的动态模型研究较少，相关文献不是很多。现有光热发电系统并网运行的模型都很粗糙，大部分经采用能量传递效率描述各个环节，另一方面现有光热发电系统动态模型大多关注单一光-热转换或热-电能量转换过程，未考虑太阳辐射强度波动造成的集热器控制模式切换，无法准确描述系统储热状态，不利于光热发电系统并网稳定运行。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法，光热发电系统的模型结构分解为多个局部模块，包括境场、集热器、储热子系统、发电子系统，包括以下步骤：

步骤S1：建立光热发电系统境场和集热器动态模型；

建立境场模型，计算境场反射到集热器的太阳辐射能量：

Q_inc＝η_hfA_hfI_bn (1)

式中，Q_inc为境场反射到集热器的太阳辐射能量，A_hf为境场面积，I_bn为平均太阳辐射强度，η_hf为境场反射效率；

将吸热管分为多段长度相等的管道微元，根据能量、质量和热力学方程，构建吸热管的管道微元数学模型，建立集热器动态模型，管道微元出口换热介质温度为：

管道微元出口换热介质流量为：

式中，h为换热系数，A_m为换热面积，m_{s_i}和m_{s_o}分别为流入和流出管道微元的换热介质流量,

为管道微元的平均密度,V_r为管道微元的体积,

为管道微元的平均比热,C_{s_i}和C_{s_o}分别为流入和流出管道微元的换热介质比热，T_{s_i}和T_{s_o}分别为流入和流出管道微元的换热介质温度，

为上一时刻流出管道微元的换热介质温度，T_{r_m}为管道表面温度，

为管道微元中的换热介质平均密度，V_s管道微元中的换热介质体积，

为管道微元中的换热介质平均比热。

步骤S2：建立光热发电系统储热子系统动态模型；

定义储热子系统状态变量SoE，定量描述当前时刻光热发电系统储存的能量，储热子系统状态为：

式中，m_in和m_out分别为流入和流出储热子系统的换热介质流量，M₀为初始换热介质质量,M_ref为罐体储量。

步骤S3：建立光热发电系统发电子系统动态模型；

构建高温换热介质流量μ_B与输出变量主蒸汽压力p_T的函数关系，换热器等效模型为：

式中，T_h描述蒸汽流速变化的延迟时间常数，P_m光热发电系统机械功率，P_T为主蒸汽压力，μT为汽轮机的汽门开度，C_SH为过热段延迟时间常数，k为蒸汽相关系数，P_D为蒸发段蒸汽压力，C_D为蒸汽压力导致的延迟时间常数；D_Q为换热器蒸汽效率，T_B为蒸发段延迟时间常数，B为流入换热器的换热介质流量；

汽轮机和发电机的动态模型为：

式中，T_J，K_L和T_G描述原动机特性，为机组固定参数；K_D，K_P和K_I为调速器对应的PID控制器参数；B_P为描述原动机与频率偏差的比例关系，根据接入电网实际情况确定。

本发明还提供了一种基于考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法的控制方法，其特征在于：

平均太阳辐射强度I_bn小于集热器最低允许工作的太阳辐照强度I_hf,min时，即I_bn<I_hf,min，光热发电系统处于待机运行模式；

平均太阳辐射强度I_bn大于集热器最低允许工作的太阳辐照强度I_hf,min且波动幅度f_DNI小于设定波动幅度f_DNI,set时，即I_bn>I_hf,min且f_DNI<f_DNI,set，集热器工作于恒温度模式，保持集热器出口换热介质温度恒定，光热发电系统处于正常运行模式；

平均太阳辐射强度I_bn大于集热器最低允许工作的太阳辐照强度I_hf,min，且太阳辐照强度大于设定波动幅度f_DNI,set时，即I_bn>I_hf,min且f_DNI>f_DNI,set，集热器工作模式切换为恒流量模式，保持集热器出口换热介质流量恒定，允许工质温度在安全范围内随太阳辐射强度变化波动，光热发电系统处于暂态工作模式；

平均太阳辐射强度I_bn大于集热器最低允许工作的太阳辐照强度I_hf,min，且太阳辐射强度波动率减小时间达到一定时间t_{FMC_stable}后，即I_bn>I_hf,min且t≥t_{FMC_stable}，集热器工作模式切换为恒温度模式，光热发电系统转为正常运行模式。

集热器是实现太阳能向热能转换的核心部件，集热器表面的热流分布极不均匀而且时刻发生着剧烈变化，在不同的太阳辐照情况下改变集热器工作模式，可以保证光热电站的安全稳定运行，同时工作模式的改变将会导致集热器出口换热介质的流量和温度发生改变，通过切换集热器工作模式，可避免集热器因太阳辐射强度剧烈波动退出运行，有效提高暂态情况下光热发电系统能量转换效率，减少弃光。因此在光热发电系统模型中考虑集热器工作模式转换具有重要意义。

优选地，集热器工作模式为恒温度模式时，集热器模型输入变量为太阳辐射强度和出口换热介质温度，模型输出变量为换热介质流量，根据公式(3)，得到恒温度工作模式下与当前时刻太阳辐射强度对应的出口换热介质流量；

集热器工作模式为恒流量模式时，根据公式(2)，集热器模型输入变量为太阳辐射强度和出口换热介质流量，模型输出变量为出口换热介质温度，通过求解集热器模型，得到恒流量工作模式下与当前时刻太阳辐射强度对应的出口换热介质温度。

采用本发明的技术方案，可实现如下有益效果：本发明针对考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法进行了基础研究，形成了集总参数下的微元分段线性化方法的基本理论：(1)建立光热发电系统境场和集热器动态模型，描述系统光-热转换过程特性。通过构建集热器吸热管的管道微元数学模型，计算管道表面温度变化情况下集热器的对流热损失和辐射热损失，采用有效体积法计算集热器出口的换热介质温度，并在计算过程中考虑换热介质物性随温度和焓值变化的非线性影响，提高动态模型精度；(2)建立光热发电系统储热子系统和发电子系统动态模型，描述系统热-电转换特性，计算储热系统实时状态和光热发电系统输出功率；(3)提出光热发电系统光-热能量转换控制方法，提高集热器工作效率同时保护装置，避免集热器因太阳辐射强度剧烈波动造成损坏，对云遮挡等暂态情况下光热发电系统储热状态描述更为精确，有效提高暂态情况下光热发电系统能量转换效率，对于实际光热发电系统的运行与控制具有重要的实用价值。

附图说明

图1为本发明提供的一种考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法流程示意图；

图2为本发明提供的一种基于考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法的控制方法框图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1为本发明提供的一种考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法流程示意图，光热发电系统模型结构分解为若干个局部模块，包括境场、集热器、储热子系统、发电子系统，分别建立境场、集热器、储热子系统、发电子系统的动态模型，根据太阳辐射强度及其波动情况判断集热器工作模式，并根据发电功率与集热器输出功率差值判断储热子系统充/放热工作状态。

本发明提出的考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤S1：建立光热发电系统境场和集热器动态模型。光热发电系统中的光-热转换环节由境场和集热器共同构成，首先建立境场模型计算境场反射到集热器的太阳辐射能量：

Q_inc＝η_hfA_hfI_bn (1)

式中，Q_inc为境场反射到集热器的太阳辐射能量，A_hf为境场面积，I_bn为平均太阳辐射强度，η_hf为境场反射效率。

光热发电系统集热器由多个管束版拼接而成，每个管束版上并联多个吸热管，换热介质按设计路径一次流过各个管束版吸收境场反射到集热器表面的热量。将吸热管分为多段长度相等的管道微元，作如下假设：换热介质仅沿吸热管径向流动；吸热管的吸热面为半圆柱面，且受热均匀；单一管道微元的管壁表面温度一致且管内换热介质温度一致，管束版中每根吸热管内换热介质流量相同。根据能量、质量和热力学方程，构建吸热管的管道微元数学模型：

Q_tra＝hA_m(T_m-T_s) (3)

式中，M_m为管道微元内的换热介质质量,C_m为吸热管壁比热,T_m为管壁温度,T_s为管道微元内的换热介质平均温度,Q_a管壁吸收的热量,Q_loss为热损失,h为换热系数,A_m为换热面积，m_in和m_out分别为流入和流出管道微元的换热介质流量,

为平均密度,V_s为管道微元体积,

为平均比热,C_{s_i}和C_{s_o}分别为流入和流出管道微元的换热介质比热，T_in和T_out分别为流入和流出管道微元的换热介质温度。

对以上方程线性化，经过迭代得到管道微元表面温度为：

管道微元出口换热介质温度为：

管道微元出口换热介质流量为：

式中，h为换热系数，A_m为换热面积，m_{s_i}和m_{s_o}分别为流入和流出管道微元的换热介质流量,

为管道微元的平均密度,V_r为管道微元的体积,

为管道微元的平均比热,C_{s_i}和C_{s_o}分别为流入和流出管道微元的换热介质比热，T_{s_i}和T_{s_o}分别为流入和流出管道微元的换热介质温度，

为上一时刻流出管道微元的换热介质温度，T_{r_m}为管道表面温度，

为管道微元中的换热介质平均密度，V_s管道微元中的换热介质体积，

为管道微元中的换热介质平均比热。

集热器的热损失主要由辐射热损和对流传热热损组成，分别由式(9-10)计算得到：

Q_c＝h_airA(T_r-T_amb) (10)

式中，ε为发射率,σ为黑体辐射常数，A为集热器换热面积,T_r为集热器表面温度,T_amb为环境温度，h_air为混合换热系数。采用有效体积法计算集热器出口的换热介质温度，并在计算过程中考虑换热介质物性随温度和焓值变化的非线性影响，提高模型精度。

步骤S2：建立光热发电系统储热子系统动态模型。储热子系统对光-热和热-电能量转换进行解耦，缓解太阳光照瞬时变化为光热发电系统出力的影响。定义储热子系统状态变量SoE，量描述当前时刻光热发电系统储存的能量。储热子系统状态为：

式中，m_in和m_out分别为流入和流出储热子系统的换热介质流量，M₀为初始换热介质质量,M_ref为罐体储量。

步骤S3：建立光热发电系统发电子系统动态模型。光热发电系统的发电子系统由换热器、汽轮机和发电机组成，其中换热器将换热介质中的热能传递给蒸汽流入汽轮机，推动汽轮机旋转将热能转换为机械能，最终通过发电机转换为电能。换热器为三段管式换热器，构建高温换热介质流量μB与输出变量主蒸汽压力pT的函数关系。换热器等效模型为：

式中，T_h描述蒸汽流速变化的延迟时间常数，P_m光热发电系统机械功率，P_T为主蒸汽压力，μT为汽轮机的汽门开度，C_SH为过热段延迟时间常数，k为蒸汽相关系数，P_D为蒸发段蒸汽压力，C_D为蒸汽压力导致的延迟时间常数；D_Q为换热器蒸汽效率，T_B为蒸发段延迟时间常数，B为流入换热器的换热介质流量。根据光热发电稳态，计算以上模型状态变量的标幺化初始值为：

汽轮机和发电机的动态模型为：

式中，T_J，K_L和T_G描述原动机特性，为机组固定参数；K_D，K_P和K_I为调速器对应的PID控制器参数；B_P为描述原动机与频率偏差的比例关系，根据接入电网实际情况确定。

图2为本发明提供的一种基于考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法的控制方法框图。首先判断当前时刻平均太阳辐射强度是否大于光热发电系统运行最小辐射强度，判断光热发电系统运行状态。满足以上条件，再根据辐射强度波动是否超过限值，判断光热发电系统集热器的工作模式是否需要进行切换，在此基础上对光热发电系统储热状态进行评估。

集热器是实现太阳能向热能转换的核心部件，集热器表面的热流分布极不均匀而且时刻发生着剧烈变化，导致吸热器产生较大的温度梯度，当温度梯度足够大时，吸热管内产生的热应力会超过吸热管的强度，引起吸热管破坏，严重影响吸热器的寿命。同时，由于太阳能本身间歇性的特点导致入射到吸热器表面的热流不断变化，使集热器的运行过程中会承受反复的温度循环，致使产生热疲劳现象。因此在不同的太阳辐照情况下改变吸热器工作模式，可以保证光热电站的安全稳定运行，同时工作模式的改变将会导致集热器出口换热介质的流量和温度发生改变，因此在光热发电系统模型中考虑集热器工作模式转换具有重要意义。

请参见图2，本实施例提出的一种基于考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法的控制方法为：

平均太阳辐射强度I_bn小于集热器最低允许工作的太阳辐照强度I_hf,min时，即I_bn<I_hf,min，光热发电系统(CSP)处于待机运行模式；

平均太阳辐射强度I_bn大于集热器最低允许工作的太阳辐照强度I_hf,min且波动幅度f_DNI小于设定波动幅度f_DNI,set时，即I_bn>I_hf,min且f_DNI<f_DNI,set，集热器工作于恒温度模式(FTC)，保持集热器出口换热介质温度恒定，光热发电系统(CSP)处于正常运行模式；

云遮挡等暂态情况下，平均太阳辐射强度I_bn大于集热器最低允许工作的太阳辐照强度I_hf,min，且太阳辐照强度大于设定波动幅度f_DNI,set时，即I_bn>I_hf,min且f_DNI>f_DNI,set，集热器工作模式切换为恒流量模式(FMC)，保持集热器出口换热介质流量恒定，允许工质温度在安全范围内随太阳辐射强度变化波动，光热发电系统(CSP)处于暂态工作模式；

平均太阳辐射强度I_bn大于集热器最低允许工作的太阳辐照强度I_hf,min，且太阳辐射强度波动率减小达到一定时间t_{FMC_stable}后，即I_bn>I_hf,min且t≥t_{FMC_stable}，集热器工作模式切换为恒温度模式(FTC)，光热发电系统(CSP)转为正常运行模式。

光热发电系统集热器工作模式有两种，分别为恒温度模式(FTC)和恒流量模式(FMC)。恒温度模式(FTC)下，集热器模型详见公式(2-5)，模型输入变量为太阳辐射强度和出口换热介质温度，模型输出变量为换热介质流量，根据公式(8)，得到恒温度工作模式下与当前时刻太阳辐射强度对应的出口换热介质流量。恒流量模式(FMC)，根据公式(7)，集热器模型输入变量为太阳辐射强度和出口换热介质流量，模型输出变量为出口换热介质温度，通过求解集热器模型，得到恒流量工作模式下与当前时刻太阳辐射强度对应的出口换热介质温度。根据集热器工作模式结合动态模型，得到不同工作模式下的集热器出口换热介质的流量和温度，可有效提高模型准确度。

定义太阳辐照强度变化率f_DNI,t如下：

通过切换集热器工作模式，可避免集热器因太阳辐射强度剧烈波动退出运行，有效提高暂态情况下光热发电系统能量转换效率，减少弃光。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法，所述光热发电系统的模型结构分解为多个局部模块，包括境场、集热器、储热子系统、发电子系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：建立所述境场和所述集热器动态模型；

建立境场模型，计算境场反射到集热器的太阳辐射能量：

Q_inc＝η_hfA_hfI_bn(1)

式中，Q_inc为境场反射到集热器的太阳辐射能量，A_hf为境场面积，I_bn为平均太阳辐射强度，η_hf为境场反射效率；

将吸热管分为多段长度相等的管道微元，根据能量、质量和热力学方程，构建吸热管的管道微元数学模型，建立集热器动态模型，管道微元出口换热介质温度为：

管道微元出口换热介质流量为：

式中，h为换热系数，A_m为换热面积，m_{s_i}和m_{s_o}分别为流入和流出管道微元的换热介质流量,

为管道微元的平均密度,V_r为管道微元的体积,

为管道微元的平均比热,C_{s_i}和C_{s_o}分别为流入和流出管道微元的换热介质比热，T_{s_i}和T_{s_o}分别为流入和流出管道微元的换热介质温度，

为上一时刻流出管道微元的换热介质温度，T_{r_m}为管道表面温度，

为管道微元中的换热介质平均密度，V_s管道微元中的换热介质体积，

为管道微元中的换热介质平均比热。

步骤S2：建立储热子系统动态模型；

定义储热子系统状态变量SoE，定量描述当前时刻光热发电系统储存的能量，储热子系统状态为：

式中，m_in和m_out分别为流入和流出储热子系统的换热介质流量，M₀为初始换热介质质量,M_ref为罐体储量。

步骤S3：建立发电子系统动态模型；

构建高温换热介质流量μ_B与输出变量主蒸汽压力p_T的函数关系，换热器等效模型为：

式中，T_h描述蒸汽流速变化的延迟时间常数，P_m光热发电系统机械功率，P_T为主蒸汽压力，μ_T为汽轮机的汽门开度，C_SH为过热段延迟时间常数，k为蒸汽相关系数，P_D为蒸发段蒸汽压力，C_D为蒸汽压力导致的延迟时间常数；D_Q为换热器蒸汽效率，T_B为蒸发段延迟时间常数，B为流入换热器的换热介质流量；

汽轮机和发电机的动态模型为：

式中，T_J，K_L和T_G描述原动机特性，为机组固定参数；K_D，K_P和K_I为调速器对应的PID控制器参数；B_P为描述原动机与频率偏差的比例关系，根据接入电网实际情况确定。

2.一种基于权利要求1所述的考虑集热器工作模式的光热发电系统动态建模方法的控制方法，其特征在于：

平均太阳辐射强度I_bn小于集热器最低允许工作的太阳辐照强度I_hf,min时，即I_bn<I_hf,min，光热发电系统处于待机运行模式；

平均太阳辐射强度I_bn大于集热器最低允许工作的太阳辐照强度I_hf,min且波动幅度f_DNI小于设定波动幅度f_DNI,set时，即I_bn>I_hf,min且f_DNI<f_DNI,set，集热器工作于恒温度模式，保持集热器出口换热介质温度恒定，光热发电系统处于正常运行模式；

平均太阳辐射强度I_bn大于集热器最低允许工作的太阳辐照强度I_hf,min，且太阳辐照强度大于设定波动幅度f_DNI,set时，即I_bn>I_hf,min且f_DNI>f_DNI,set，集热器工作模式切换为恒流量模式，保持集热器出口换热介质流量恒定，允许工质温度在安全范围内随太阳辐射强度变化波动，光热发电系统处于暂态工作模式；

平均太阳辐射强度I_bn大于集热器最低允许工作的太阳辐照强度I_hf,min，且太阳辐射强度波动率减小时间达到一定时间t_{FMC_stable}后，即I_bn>I_hf,min且t≥t_{FMC_stable}，集热器工作模式切换为恒温度模式，光热发电系统转为正常运行模式。

3.一种如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，集热器工作模式为恒温度模式时，集热器模型输入变量为太阳辐射强度和出口换热介质温度，模型输出变量为换热介质流量，根据公式(3)，得到恒温度工作模式下与当前时刻太阳辐射强度对应的出口换热介质流量；

集热器工作模式为恒流量模式时，集热器模型输入变量为太阳辐射强度和出口换热介质流量，模型输出变量为出口换热介质温度，根据公式(2)，得到恒流量工作模式下与当前时刻太阳辐射强度对应的出口换热介质温度。

Images