CN113983702B - 一种光-储-热供电机组及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光‑储‑热供电机组及其控制方法，涉及供电机组及控制技术领域。本发明供电机组包括太阳能集热单元、相变储热单元、低温余热发电单元，以及管线；通过对集热装置的控制保证了相变储热装置内的温度保持恒定；通过对热介质的流速、压缩机的功率进行控制平抑供电装置输出功率，实现系统稳定运行；本发明提出的分布式控制方法，将多套装置通过分布式集群组合，满足了大规模供电需求。

Description

一种光-储-热供电机组及其控制方法

技术领域

本发明涉及供电机组及控制技术领域，尤其涉及一种光-储-热供电机组及其控制方法。

背景技术

随着日益增长的能源需求，以及全球范围内的温室效应的不断加强。我国对于可再生能源的重视不断增加。然而，相比传统的光能、热能、机械能发电系统，可再生能源由于其间歇性和不确定性而缺乏竞争力。因此，有必要采取技术手段来提高可再生能源利用过程中的稳定性以及经济性。太阳能作为主要的可再生能源在取之不尽用之不竭的同时，也具有间歇性和不稳定性等缺陷。众所周知，太阳能的辐射量会随着天气、昼夜的变化而产生周期性变化。因此，为保证太阳能发电系统可以持续稳定的提供电能，一套光-储-热供电机组及控制装置就十分重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种光-储-热供电机组及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一方面，一种光-储-热供电机组，包括太阳能集热单元、相变储热单元、低温余热发电单元，以及管线；

所述太阳能集热单元包括：槽式集热聚光太阳能板-1，传热流体-2，阀门V1-3；所述相变储热单元包括：相变储热罐-4，传热介质-5，阀门V2-6；所述低温余热发电单元包括：蒸发器-7，膨胀机-8，发电机-9，冷凝器-10，工质泵-11，循环工质-12，阀门V3-13；

所述槽式集热聚光太阳能板-1通过管线与相变储热罐-4一端相连，其中管线中流过传热流体-2并安装有阀门V1-3；所述相变储热罐-4另一端通过管线与蒸发器-7一端相连，其中管线中流过传热介质-5并安装有阀门V2-6，蒸发器-7另一端通过管线依次与膨胀机-8、冷凝器-10，工质泵-11相连，其中管线中流过循环工质-12并安装有阀门V3-13，膨胀机-8另一端与发电机-9通过管线相连。

另一方面，一种光-储-热供电机组控制方法，根据前述一种光-储-热供电机组实现，包括以下步骤：

步骤1：对光-储-热供电机组的太阳能集热单元与相变储热单元进行数学建模；

步骤1.1：太阳能集热单元中槽式集热聚光太阳能板将太阳能转化为热能，建立太阳能集热单元吸热数学模型，热能通过传热流体将热量传递给相变储热罐；

所述太阳能集热单元吸热数学模型为：

Q_absorb＝I_cη_optA_f cosθ (1)

式中：Q_absorb为槽式集热聚光太阳能板吸收的热量，η_opt为总体光学效率，θ为太阳光入射方向与槽式集热聚光太阳能板的夹角，A_f为集热板面积，I_c为槽式集热聚光太阳能板的直接光照辐射强度；

单位长度集热腔体吸收器自身的能量守恒方程为：

式中：ρ_a为支管的密度，c_a为支管的比热容，A_a为支管的横截面积，T_a为管壁的温度，

表示管壁的温度变化，T_f为传热流体的温度，h_a为管壁与传热流体流之间的换热系数，P_a为管壁的压强，q_loss为热损失；

相变储热罐内的热平衡方程为：

式中：ρ_f为传热流体的密度，c_f为传热流体的比热容，A_t为储热罐的横截面积，T_t为储热罐的温度，t为时间，m_f为传热流体的流率，λ_f为传热流体的导热系数，h_t为储热罐与环境的对流换热系数，P_t为储热罐的压强；

步骤1.2：设定流体的流速分为阀门V1关闭以及打开时两种状态；

当阀门V1关闭时，状态如下所示：

当阀门V1打开时，假设腔体内流体沿轴线方向均匀变化，状态如下所示：

式中：C为常数，通过阀门V1开度来控制；

步骤1.3：通过设置打开阀门V1的开度，控制流体的流速，以影响相变储热罐内的温度，当测量温度低于设定标椎温度时，打开阀门V1，当测量温度高于设定标椎温度时，则关闭阀门V1；

步骤2：对储热单元与发电单元进行数学建模；

步骤2.1：通过相变储热罐内传热介质的循环，将储存的热量带到蒸发器内，与低温余热发电单元内的循环工质交换热量，建立蒸发器模型；

所述蒸发器模型表示为以下状态空间方程：

式中：x_ev为蒸发器的状态变量，f_ev()蒸发器空间状态函数符号；为x_ev＝[L₁,L₂,P_e,h_o,T_w1,T_w2,T_w3,T_a1,T_a2,T_a3]^T；根据循环工质的不同相态可以将蒸发器分成：过冷区、两相区、过热区三个区，L₁、L₂分别为过冷区和两相区的长度；P_e为蒸发压力；h_o为循环工质在蒸发器入口的焓值；T_w1、T_w2、T_w3分别为蒸发器三个区的管壁温度；T_a1、T_a2、T_a3分别为各个区对应的烟气温度；域

为输入向量；

分别为循环工质在蒸发器出口和入口的质量流量；h_i为循环工质在蒸发器出口的焓值；v_e为储热罐放热介质的流速；T_t为传热介质的入口温度；

步骤2.2：建立膨胀机稳态模型；循环工质经过膨胀机后做功，将热能转化为机械能带动通过发电机进行发电，通过控制阀门V₂来控制系统是否进行发电，关闭阀门V₂则系统不再发电，打开阀门V₂则系统开始发电；

所述膨胀机稳态模型如下面的方程所示：

y_exp＝g_exp(u_exp) (8)

式中：u_exp为膨胀机的输入向量，u_exp＝[P_exp,sup,v_exp,sup,P_c,R_exp,h_exp,sup]^T；P_exp,sup为膨胀机中循环工质的压力；v_exp,sup为工质的流速，P_c为工质压力；R_exp为膨胀机的转速；h_exp,sup为膨胀机入口焓值；输出向量

为膨胀机的质量流量；w为膨胀机输出功率；h_exp,o为膨胀机出口焓值；

发电机将膨胀机输出的机械功率，转化为电能，其数学模型如下：

式中：

为角速度的变化量，P_T为同步发电机的机械功率，P_E为同步发电机的电磁功率，T_J为发电机转子转动惯量，ω为发电机转速，ω_n为额定转速；

步骤2.3：建立冷凝器模型以及工质泵稳态模型，膨胀机排出的循环工质在冷凝器中恢复原有状态，经工质泵加压后完成一次循环；

所述冷凝器模型表示为以下状态空间方程：

式中：x_c为冷凝器的状态变量，x_c＝[L_c1,L_c2,P_c,h_co,T_cw1,T_cw2,T_cw3]^T；与蒸发器类似，也可以将冷凝器分成三个区，分别是过热区、两相区、过冷区，L_c1、L_c2分别为过热区和两相区的长度；P_c为冷凝器中循环工质的压力；h_co为工质在冷凝器出口的焓值；T_cw1、T_cw2、T_cw3分别为冷凝器三个区的管壁温度；

是输入向量；

分别为循环工质在冷凝器入口和出口的质量流量；h_ci为循环工质在冷凝器入口的焓值；v_c为冷却工质的流速；

所述工质泵稳态模型由下面的方程表示：

y_p＝g_p(u_p) (9)

其中u_p为工质泵的输入向量，

R_p为工质泵的转速；h_pi为循环工质在工质泵入口的焓值；P_pi、P_po分别为循环工质在冷凝器入口和出口的压力；

为循环工质在工质泵中的流速；

是输出向量；

为工质泵的质量流量；h_po为循环工质在工质泵出口的焓值；

步骤3：将步骤1和步骤2得到的数学模型进行连接，得到系统的整体模型，如下式所示：

其中x为状态变量；模型的输入与输出分别为u＝[μ_t,R_p,v_e,v_c]^T和y＝[W,P_e,T_e,T_c]^T，根据发电单元的结构与上述的器件的数学模型，其中μ_t为膨胀阀阀门V3开度，R_p为工质泵的转速，W为发电机输出功率，T_e为蒸发器出口温度，T_c为冷凝器出口温度；

步骤4：采用PID控制方法，通过控制膨胀阀阀门V3开度μ_t、工质泵的转速R_p、储热罐放热介质的流速v_e、冷却工质流速v_c的大小，达到对发电机输出功率W、蒸发压力P_e、蒸发器出口温度T_e、冷凝器出口温度T_c的控制；

所述PID控制用公式表示为：

式中：u(k)为控制器的输出，K_p为比例增益，T_s为计算周期，T_i为积分系数，T_d为微分系数，k为采样时刻，k＝1,2,3…，e(k)、e(k-1)和e(j)分别为第k、第k-1时刻和第j时刻所得到的系统偏差信号；

步骤5：将所搭建的光-储-热供电机组接入微电网，通过最优控制方法，确定单个系统的供能数量，对系统建立优化运行模型，使用分布式优化控制方法，以达到经济效益的最优；

步骤5.1：设定机组运行成本：

式中：

是第n个供电机组的有功功率；

为第n个供电机组供电成本；

为供电机组的成本系数；

步骤5.2：设定光-储-热供电机组运行约束，具体包括容量约束、节点间电压相角约束、潮流平衡约束：

设定所述容量约束为：

式中：

和

分别为系统发电机组出力的上下限；

设定所述潮流平衡约束为：

假设节点间有一条联络线导纳为y_i,j，连接节点i和节点j；对于给定节点j的电压V_j和相位θ_j，建立在(i，j)节点区间的线损公式：

式中：电压V_i，

为本地的节点电压与连接区域电压，相位θ_i，

被假定为本地的节点相角与潮流计算后得出的连接母线相角；若母线(i，j)间不存在连接区域，y_i,j＝0，得到P_i,j＝0MW；如果

并且

得到P_i,j＝0MW；定义：v_i＝[V_i,θ_i]^T，

得到以下节点间电压相角约束：

因此得到潮流平衡约束，如下式所示：

式中：

表示节点i内的系统发电装置集合；

表示节点i内第n台供电机组的供电功率；M表示区域电网所有节点集合；P_i ^D表示节点i内的用电负荷；

步骤5.3：设计分布式控制方法；

对系统建立经济效益目标函数，即发电成本，模型如下：

式中：C_i为节点i上的总成本；

则电网节点i的最优潮流问题为：

其中，自变量x_i定义为

h_i(x_i)表示所有约束的向量值，包括容量约束(14)、节点间电压相角约束(16)和潮流平衡约束(17)；则考虑光-储-电供能系统的最优潮流问题建模为：

由于节点(i，j)间的连接线路存在，节点间的耦合变量

看作是电网节点i为所有与之相连的节点提供的接口；

采用增广拉格朗日矩阵将目标函数(20a)中的C_i(x_i)改写成如下扩展形式：

同时为目标定义约束指标：

有下式：

引入辅助变量

和

则：

目标函数与约束条件分开，构造增广拉格朗日函数

式中：x＝[x₁，…，x_M]^T为控制变量；

为与拉格朗日系数；

定义为

ρ(ρ>0)为增广拉格朗日乘子的惩罚因子；T_i为积分系数；

步骤6：将步骤5中优化运行模型代入系统，对优化模型进行求解得到系统最优运行策略，系统中各设备机组根据此策略运行，实现对此系统的分布式优化控制。

本发明提出了一种光-储-热供电机组及其控制方法，具有以下有益效果：

本发明提出的光-储-热供电机组可实现对太阳能收集、储存和利用，有效解决了太阳能出力的不确定性问题，提升了可再生能源利用过程的稳定性和经济性。本发明提出的优化控制方法，通过对集热装置的控制保证了相变储热装置内的温度保持恒定；通过对热介质的流速、压缩机的功率进行控制平抑供电装置输出功率，实现系统稳定运行；本发明提出的分布式控制方法，将多套装置通过分布式集群组合，满足了大规模供电需求。

附图说明

图1为本发明实施方式中的太阳能集热-相变储热-低温余热发电的供电机组结构示意图；

图2为本发明实施方式中的PID控制原理图；

图3为本发明实施方式中的发电单元控制的输入和输出示意图；

图4为本发明实施方式中的2区域4机系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一方面，一种光-储-热供电机组，如图1所示,包括太阳能集热单元、相变储热单元、低温余热发电单元，以及管线；

所述太阳能集热单元包括：槽式集热聚光太阳能板-1，传热流体-2，阀门V1-3；所述相变储热单元包括：相变储热罐-4，传热介质-5，阀门V2-6；所述低温余热发电单元包括：蒸发器-7，膨胀机-8，发电机-9，冷凝器-10，工质泵-11，循环工质-12，阀门V3-13；

所述槽式集热聚光太阳能板-1通过管线与相变储热罐-4一端相连，其中管线中流过传热流体-2并安装有阀门V1-3；所述相变储热罐-4另一端通过管线与蒸发器-7一端相连，其中管线中流过传热介质-5并安装有阀门V2-6，蒸发器-7另一端通过管线依次与膨胀机-8、冷凝器-10，工质泵-11相连，其中管线中流过循环工质-12并安装有阀门V3-13，膨胀机-8另一端与发电机-9通过管线相连。

另一方面，一种光-储-热供电机组控制方法，根据前述一种光-储-热供电机组实现，包括以下步骤：

步骤1：对光-储-热供电机组的太阳能集热单元与相变储热单元进行数学建模；

步骤1.1：太阳能集热单元中槽式集热聚光太阳能板-1将太阳能转化为热能，建立太阳能集热单元吸热数学模型，热能通过传热流体-2将热量传递给相变储热罐-4。

不考虑太阳光的非均匀分布，所述太阳能集热单元吸热数学模型为：

Q_absorb＝I_cη_optA_f cosθ (1)

式中：Q_absorb为槽式集热聚光太阳能板吸收的热量，η_opt为总体光学效率，θ为太阳光入射方向与槽式集热聚光太阳能板的夹角，，A_f为集热板面积，I_c为槽式集热聚光太阳能板的直接光照辐射强度；其中直接辐射值采用全自动跟踪太直接辐射表，设置数据采样周期为1分钟。

单位长度集热腔体吸收器自身的能量守恒方程为：

式中：ρ_a为支管的密度，c_a为支管的比热容，A_a为支管的横截面积，T_a为管壁的温度，

表示管壁的温度变化，T_f为传热流体的温度，h_a为管壁与传热流体流之间的换热系数，P_a为管壁的压强，q_loss为热损失；

相变储热罐内的热平衡方程为：

式中：ρ_f为传热流体的密度，c_f为传热流体的比热容，A_t为储热罐的横截面积，T_t为储热罐的温度，t为时间，m_f为传热流体的流率，λ_f为传热流体的导热系数，h_t为储热罐与环境的对流换热系数，P_t为储热罐的压强；

步骤1.2：设定流体的流速分为阀门V1关闭以及打开时两种状态；

当阀门V1关闭时，状态如下所示：

当阀门V1打开时，假设腔体内流体沿轴线方向均匀变化，状态如下所示：

式中：C为常数，通过阀门V1开度来控制；

因此，可以通过控制阀门的开关，来控制相变储热罐内的介质温度。保证在相变储热罐内储热不足时，打开阀门，使得高温流质流动，加热储热罐内的工质。通过本地PID控制器保证储热罐内的能量的衡定。

步骤1.3：通过设置打开阀门V1的开度，控制流体的流速，以影响相变储热罐内的温度，当测量温度低于设定标椎温度时，打开阀门V₁，当测量温度高于设定标椎温度时，则关闭阀门V1；

步骤2：对储热单元与发电单元进行数学建模；

步骤2.1：通过相变储热罐内传热介质的循环，将储存的热量带到蒸发器内，与低温余热发电单元内的循环工质交换热量，建立蒸发器模型；

所述蒸发器模型表示为以下状态空间方程：

式中：x_ev为蒸发器的状态变量，f_ev()蒸发器空间状态函数符号；为x_ev＝[L₁,L₂,P_e,h_o,T_w1,T_w2,T_w3,T_a1,T_a2,T_a3]^T；根据循环工质的不同相态可以将蒸发器分成：过冷区、两相区、过热区三个区，L₁、L₂分别为过冷区和两相区的长度；P_e为蒸发压力；h_o为循环工质在蒸发器入口的焓值；T_w1、T_w2、T_w3分别为蒸发器三个区的管壁温度；T_a1、T_a2、T_a3分别为各个区对应的烟气温度；域

为输入向量；

分别为循环工质在蒸发器出口和入口的质量流量；h_i为循环工质在蒸发器出口的焓值；v_e为储热罐放热介质的流速；T_t为传热介质的入口温度。

步骤2.2：建立膨胀机稳态模型；循环工质经过膨胀机后做功，将热能转化为机械能带动通过发电机进行发电，通过控制阀门V₂来控制系统是否进行发电，关闭阀门V₂则系统不再发电，打开阀门V₂则系统开始发电；

膨胀机的动态特性相对很快，所以本文针对系统中所使用的涡旋式膨胀机建立了稳态模型，所述膨胀机稳态模型如下面的方程所示：

y_exp＝g_exp(u_exp) (8)

式中：u_exp为膨胀机的输入向量，u_exp＝[P_exp,sup,v_exp,sup,P_c,R_exp,h_exp,sup]^T；P_exp,sup为膨胀机中循环工质的压力；v_exp,sup为工质的流速，P_c为工质压力；R_exp为膨胀机的转速；h_exp,sup为膨胀机入口焓值；输出向量

为膨胀机的质量流量；w为膨胀机输出功率；h_exp,o为膨胀机出口焓值。

发电机将膨胀机输出的机械功率，转化为电能，其数学模型如下：

式中：

为角速度的变化量，P_T为同步发电机的机械功率，P_E为同步发电机的电磁功率，T_J为发电机转子转动惯量，ω为发电机转速，ω_n为额定转速。

步骤2.3：建立冷凝器模型以及工质泵稳态模型，膨胀机排出的循环工质在冷凝器中恢复原有状态，经工质泵加压后完成一次循环；发电单元可在白天与集热、储热单元同时运行，也可在夜晚或阴天关闭集热后单独运行。

冷凝器的工作原理正好与蒸发器相反，所述冷凝器模型表示为以下状态空间方程：

式中：x_c为冷凝器的状态变量，x_c＝[L_c1,L_c2,P_c,h_co,T_cw1,T_cw2,T_cw3]^T；与蒸发器类似，也可以将冷凝器分成三个区，分别是过热区、两相区、过冷区，L_c1、L_c2分别为过热区和两相区的长度；P_c为冷凝器中循环工质的压力；h_co为工质在冷凝器出口的焓值；T_cw1、T_cw2、T_cw3分别为冷凝器三个区的管壁温度；

是输入向量；

分别为循环工质在冷凝器入口和出口的质量流量；h_ci为循环工质在冷凝器入口的焓值；v_c为冷却工质的流速。

假设工质泵具有良好的控制效果，其提供的质量流量与其旋转速度呈比例关系，以此到了工质的稳态模型，所述工质泵稳态模型由下面的方程表示：

y_p＝g_p(u_p) (9)

其中u_p为工质泵的输入向量，

R_p为工质泵的转速；h_pi为循环工质在工质泵入口的焓值；P_pi、P_po分别为循环工质在冷凝器入口和出口的压力；

为循环工质在工质泵中的流速；

是输出向量；

为工质泵的质量流量；h_po为循环工质在工质泵出口的焓值。

步骤3：将步骤1和步骤2得到的数学模型进行连接，得到系统的整体模型，如下式所示：

其中x为状态变量；模型的输入与输出分别为u＝[μ_t,R_p,v_e,v_c]^T和y＝[W,P_e,T_e,T_c]^T。根据发电单元的结构与上述的器件的数学模型，其中μ_t为膨胀阀阀门开度，R_p为工质泵的转速，W为发电机输出功率，T_e为蒸发器出口温度，T_c为冷凝器出口温度。

步骤4：采用PID控制方法，通过控制膨胀阀阀门开度μ_t、工质泵的转速R_p、储热罐放热介质的流速v_e、冷却工质流速v_c的大小，达到对发电机输出功率W、蒸发压力P_e、蒸发器出口温度T_e、冷凝器出口温度T_c的控制；从而保证压力、温度等相关条件在允许的范围内的同时，发电单元安全可靠的运行，使得系统能够提供稳定可靠的电能，如图3所示。

为了保证系统的快速有效运行，所述控制算法为PID控制。这是一种基于控制系统偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)的控制算法。图2为PID控制器的原理图。PID控制用公式表示为：

式中：u(k)为控制器的输出，K_p为比例增益，T_s为计算周期，T_i为积分系数，T_d为微分系数，k为采样时刻，k＝1,2,3…，e(k)、e(k-1)和e(j)分别为第k、第k-1时刻和第j时刻所得到的系统偏差信号。

步骤5：将所搭建的光-储-热供电机组接入微电网，在考虑线损与负载需求的情况下，保证系统的经济效益最优。通过最优控制方法，确定单个系统的供能数量。考虑到多个光-储-热供能机组的经济效益以及接入电网后的运行成本，对系统建立优化运行模型，使用分布式优化控制方法，以达到经济效益的最优。

步骤5.1：设定机组运行成本：

式中：

是第n个供电机组的有功功率；

为第n个供电机组供电成本；

为供电机组的成本系数；

步骤5.2：设定光-储-热供电机组运行约束，具体包括容量约束、节点间电压相角约束、潮流平衡约束：

设定所述容量约束为：

式中：

和

分别为系统发电机组出力的上下限；

设定所述潮流平衡约束为：

在实际系统中需要考虑网损，假设节点间有一条联络线导纳为y_i,j，连接节点i和节点j。对于给定节点j的电压V_j和相位θ_j，建立在(i，j)节点区间的线损公式：

式中：电压V_i，

为本地的节点电压与连接区域电压，相位θ_i，

被假定为本地的节点相角与潮流计算后得出的连接母线相角；若母线(i，j)间不存在连接区域，y_i,j＝0，得到P_i,j＝0MW；如果

并且

得到P_i,j＝0MW。定义：v_i＝[V_i,θ_i]^T，

显然，在电气连接的总线(i，j)两端连接节点上，可以得到以下节点间电压相角约束：

因此得到潮流平衡约束，如下式所示：

式中：

表示节点i内的系统发电装置集合；

表示节点i内第n台供电机组的供电功率；M表示区域电网所有节点集合；P_i ^D表示节点i内的用电负荷。

步骤5.3：设计分布式控制方法；

对系统建立经济效益目标函数，即发电成本，模型如下：

式中：C_i为节点i上的总成本；

则电网节点i的最优潮流问题为：

其中，自变量x_i定义为

h_i(x_i)表示所有约束的向量值，包括容量约束(14)、节点间电压相角约束(16)和潮流平衡约束(17)；则考虑光-储-电供能系统的最优潮流问题建模为：

由于节点(i，j)间的连接线路存在，节点间的耦合变量

看作是电网节点i为所有与之相连的节点提供的接口；

为了能够计算目标函数的最小值，使其可微，本文采用增广拉格朗日矩阵将目标函数(20a)中的C_i(x_i)改写成如下扩展形式：

同时为目标定义约束指标：

有下式：

引入辅助变量

和

则：

目标函数与约束条件分开，构造增广拉格朗日函数

式中：x＝[x₁，…，x_M]^T为控制变量；

为与拉格朗日系数；

定义为

ρ(ρ>0)为增广拉格朗日乘子的惩罚因子；T_i为积分系数。由式(25)可以看出函数为2次强凸约束，因此使用交替乘子法(ADMM)求解，算法必收敛。

步骤6：将步骤5中优化运行模型代入系统，本实施例中2区域4机系统的基本结构，如图4所示。2区域4机系统的基本参数如附表A、B中所示，G为系统发电机，模型采用GENROU模型，变压器接线方式为△/Y，线路采用Bergeron模型，L3、C3、L5、C5均采用恒阻抗静止负荷模型。对优化模型进行求解得到系统最优运行策略，系统中各设备机组根据此策略运行，实现对此系统的分布式优化控制。

附表A

附表B

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (1)

1.一种光-储-热供电机组，其特征在于，包括太阳能集热单元、相变储热单元、低温余热发电单元，以及管线；

所述太阳能集热单元包括：槽式集热聚光太阳能板，传热流体，阀门V1；所述相变储热单元包括：相变储热罐，传热介质，阀门V2；所述低温余热发电单元包括：蒸发器，膨胀机，发电机，冷凝器，工质泵，循环工质，阀门V3；

所述槽式集热聚光太阳能板通过管线与相变储热罐一端相连，其中管线中流过传热流体并安装有阀门V1；所述相变储热罐另一端通过管线与蒸发器一端相连，其中管线中流过传热介质并安装有阀门V2，蒸发器另一端通过管线依次与膨胀机、冷凝器、工质泵相连，其中管线中流过循环工质并安装有阀门V3，膨胀机另一端与发电机通过管线相连；

所述的一种光-储-热供电机组，用于实现一种光-储-热供电机组控制方法，包括以下步骤：

步骤1：对光-储-热供电机组的太阳能集热单元与相变储热单元进行数学建模；

步骤1.1：太阳能集热单元中槽式集热聚光太阳能板将太阳能转化为热能，建立太阳能集热单元吸热数学模型，热能通过传热流体将热量传递给相变储热罐；

所述太阳能集热单元吸热数学模型为：

Q_absorb＝I_cη_optA_fcosθ (1)

式中：Q_absorb为槽式集热聚光太阳能板吸收的热量，η_opt为总体光学效率，θ为太阳光入射方向与槽式集热聚光太阳能板的夹角，A_f为集热板面积，I_c为槽式集热聚光太阳能板的直接光照辐射强度；

单位长度集热腔体吸收器自身的能量守恒方程为：

式中：ρ_a为支管的密度，c_a为支管的比热容，A_a为支管的横截面积，T_a为管壁的温度，

表示管壁的温度变化，T_f为传热流体的温度，h_a为管壁与传热流体流之间的换热系数，P_a为管壁的压强，q_loss为热损失；

相变储热罐内的热平衡方程为：

式中：ρ_f为传热流体的密度，c_f为传热流体的比热容，A_t为储热罐的横截面积，T_t为储热罐的温度，t为时间，m_f为传热流体的流率，λ_f为传热流体的导热系数，h_t为储热罐与环境的对流换热系数，P_t为储热罐的压强；

步骤1.2：设定流体的流速分为阀门V1关闭以及打开时两种状态；

当阀门V1关闭时，状态如下所示：

当阀门V1打开时，假设腔体内流体沿轴线方向均匀变化，状态如下所示：

式中：C为常数，通过阀门V1开度来控制；

步骤1.3：通过设置打开阀门V1的开度，控制流体的流速，以影响相变储热罐内的温度，当测量温度低于设定标椎温度时，打开阀门V1，当测量温度高于设定标椎温度时，则关闭阀门V1；

步骤2：对储热单元与发电单元进行数学建模；

步骤2.1：通过相变储热罐内传热介质的循环，将储存的热量带到蒸发器内，与低温余热发电单元内的循环工质交换热量，建立蒸发器模型；

所述蒸发器模型表示为以下状态空间方程：

式中：x_ev为蒸发器的状态变量，f_ev()蒸发器空间状态函数符号；为x_ev＝[L₁,L₂,P_e,h_o,T_w1,T_w2,T_w3,T_a1,T_a2,T_a3]^T；根据循环工质的不同相态将蒸发器分成：过冷区、两相区、过热区三个区，L₁、L₂分别为过冷区和两相区的长度；P_e为蒸发压力；h_o为循环工质在蒸发器入口的焓值；T_w1、T_w2、T_w3分别为蒸发器三个区的管壁温度；T_a1、T_a2、T_a3分别为各个区对应的烟气温度；域

为输入向量；

分别为循环工质在蒸发器出口和入口的质量流量；h_i为循环工质在蒸发器出口的焓值；v_e为储热罐放热介质的流速；T_t为传热介质的入口温度；

步骤2.2：建立膨胀机稳态模型；循环工质经过膨胀机后做功，将热能转化为机械能带动通过发电机进行发电，通过控制阀门V₂来控制系统是否进行发电，关闭阀门V₂则系统不再发电，打开阀门V₂则系统开始发电；

所述膨胀机稳态模型如下面的方程所示：

y_exp＝g_exp(u_exp) (8)

式中：u_exp为膨胀机的输入向量，u_exp＝[P_exp,sup,v_exp,sup,P_c,R_exp,h_exp,sup]^T；P_exp,sup为膨胀机中循环工质的压力；v_exp,sup为工质的流速，P_c为工质压力；R_exp为膨胀机的转速；h_exp,sup为膨胀机入口焓值；输出向量

为膨胀机的质量流量；w为膨胀机输出功率；h_exp,o为膨胀机出口焓值；

发电机将膨胀机输出的机械功率，转化为电能，其数学模型如下：

式中：

为角速度的变化量，P_T为同步发电机的机械功率，P_E为同步发电机的电磁功率，T_J为发电机转子转动惯量，ω为发电机转速，ω_n为额定转速；

步骤2.3：建立冷凝器模型以及工质泵稳态模型，膨胀机排出的循环工质在冷凝器中恢复原有状态，经工质泵加压后完成一次循环；

所述冷凝器模型表示为以下状态空间方程：

式中：x_c为冷凝器的状态变量，x_c＝[L_c1,L_c2,P_c,h_co,T_cw1,T_cw2,T_cw3]^T；将冷凝器分成三个区，分别是过热区、两相区、过冷区，L_c1、L_c2分别为过热区和两相区的长度；P_c为冷凝器中循环工质的压力；h_co为工质在冷凝器出口的焓值；T_cw1、T_cw2、T_cw3分别为冷凝器三个区的管壁温度；

是输入向量；

分别为循环工质在冷凝器入口和出口的质量流量；h_ci为循环工质在冷凝器入口的焓值；v_c为冷却工质的流速；

所述工质泵稳态模型由下面的方程表示：

y_p＝g_p(u_p) (9)

其中u_p为工质泵的输入向量，

R_p为工质泵的转速；h_pi为循环工质在工质泵入口的焓值；P_pi、P_po分别为循环工质在冷凝器入口和出口的压力；

为循环工质在工质泵中的流速；

是输出向量；

为工质泵的质量流量；h_po为循环工质在工质泵出口的焓值；

步骤3：将步骤1和步骤2得到的数学模型进行连接，得到系统的整体模型，如下式所示：

其中x为状态变量；模型的输入与输出分别为u＝[μ_t,R_p,v_e,v_c]^T和y＝[W,P_e,T_e,T_c]^T，根据发电单元的结构与上述的器件的数学模型，其中μ_t为膨胀阀阀门V3开度，R_p为工质泵的转速，W为发电机输出功率，T_e为蒸发器出口温度，T_c为冷凝器出口温度；

步骤4：采用PID控制方法，通过控制膨胀阀阀门V3开度μ_t、工质泵的转速R_p、储热罐放热介质的流速v_e、冷却工质流速v_c的大小，达到对发电机输出功率W、蒸发压力P_e、蒸发器出口温度T_e、冷凝器出口温度T_c的控制；

所述PID控制用公式表示为：

式中：u(k)为控制器的输出，K_p为比例增益，T_s为计算周期，T_i为积分系数，T_d为微分系数，k为采样时刻，k＝1,2,3…，e(k)、e(k-1)和e(j)分别为第k、第k-1时刻和第j时刻所得到的系统偏差信号；

步骤5：将所搭建的光-储-热供电机组接入微电网，通过最优控制方法，确定单个系统的供能数量，对系统建立优化运行模型，使用分布式优化控制方法，以达到经济效益的最优；

步骤5.1：设定机组运行成本：

式中：

是第n个供电机组的有功功率；

为第n个供电机组供电成本；

为供电机组的成本系数；

步骤5.2：设定光-储-热供电机组运行约束，具体包括容量约束、节点间电压相角约束、潮流平衡约束：

设定所述容量约束为：

式中：

和

分别为系统发电机组出力的上下限；

设定所述潮流平衡约束为：

假设节点间有一条联络线导纳为y_i,j，连接节点i和节点j；对于给定节点j的电压V_j和相位θ_j，建立在(i，j)节点区间的线损公式：

式中：电压V_i，

为本地的节点电压与连接区域电压，相位θ_i，

被假定为本地的节点相角与潮流计算后得出的连接母线相角；若母线(i，j)间不存在连接区域，y_i,j＝0，得到P_i,j＝0MW；如果

并且

得到P_i,j＝0MW；定义：v_i＝[V_i,θ_i]^T，

得到以下节点间电压相角约束：

因此得到潮流平衡约束，如下式所示：

式中：

表示节点i内的系统发电装置集合；

表示节点i内第n台供电机组的供电功率；M表示区域电网所有节点集合；

表示节点i内的用电负荷；

步骤5.3：设计分布式控制方法；

对系统建立经济效益目标函数，即发电成本，模型如下：

式中：C_i为节点i上的总成本；

则电网节点i的最优潮流问题为：

其中，自变量x_i定义为

h_i(x_i)表示所有约束的向量值，包括容量约束(14)、节点间电压相角约束(16)和潮流平衡约束(17)；则考虑光-储-电供能系统的最优潮流问题建模为：

由于节点(i，j)间的连接线路存在，节点间的耦合变量

看作是电网节点i为所有与之相连的节点提供的接口；

采用增广拉格朗日矩阵将目标函数(20a)中的C_i(x_i)改写成如下扩展形式：

同时为目标定义约束指标：

有下式：

引入辅助变量

和

则：

目标函数与约束条件分开，构造增广拉格朗日函数

式中：x＝[x₁，…，x_M]^T为控制变量；

为与拉格朗日系数；

定义为

ρ(ρ>0)为增广拉格朗日乘子的惩罚因子；T_i为积分系数；

步骤6：将步骤5中优化运行模型代入系统，对优化模型进行求解得到系统最优运行策略，系统中各设备机组根据此策略运行，实现对此系统的分布式优化控制。

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