CN114036718B - 基于Petri网的太阳能热发电系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Petri网的太阳能热发电系统建模方法，包括以下步骤：建立太阳能热发电集热系统动态模型；建立太阳能热发电储热罐模型；建立太阳能热发电蒸汽发生器模型；建立太阳能热发电系统Petri网数学模型。本发明的优点是：能够有效解决实际工业过程中的问题，为直接储热式线菲系统运行模式的分析及优化提供了直观有力的工具。

Description

基于Petri网的太阳能热发电系统建模方法

技术领域

本发明涉及太阳能热发电系统研究技术领域，特别涉及一直基于Petri网的太阳能热发电系统建模方法。

背景技术

采用熔盐作为传热介质的带有储热系统的太阳能热发电站是目前的主要发展方向，对其系统进行研究是很有必要的。由于太阳能的不稳定性和间歇性，导致太阳能热发电系统受环境及天气因素影响较大，储能系统的引入弥补了太阳能不能稳定供应的缺陷，使电站不受时间和天气的影响，从而能达到电能的稳定供应，优化了太阳能电站的设计，但是使得太阳能热发电系统这一非线性系统更加复杂，大大增加了系统建模和控制的难度。聚光太阳能热发电系统在运行过程中同时存在能量转换与工况切换，是一个典型的混杂系统。

目前，关于太阳能热发电系统的理论研究主要集中在集热系统和储热系统这两个部分的模拟仿真与结构优化上，而缺乏对系统整体建立数学模型的分析。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一直基于Petri网的太阳能热发电系统建模方法。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于Petri网的太阳能热发电系统建模方法，包括以下步骤：

步骤1，建立太阳能热发电集热系统动态模型；

用式(1)和(2)描述集热系统将太阳能转换为热能的过程。

考虑单根集热管，对其沿轴向进行空间离散化。将集热管沿长度方向离散为N段长度为Δx的微元，假设每段集热管微元接收到的能量分布均匀。根据能量守恒定律与热传导、对流传热定理，对Δx微元的管壁和管内流体建立动态模型。

其中

式中，A_m为镜场面积，m²；A为管壁与空气对流传热的换热面积，m²；A_f为熔盐与集热管对流传热的换热面积，m²；a为集热管内层横截面积，m²；h为管壁与空气间的对流传热系数,J/m²·s·K；h_f为熔盐和集热管之间的对流传热系数,J/m²·s·K；T为集热管管壁温度，K；T_a为环境温度，K；T_f为熔盐流体温度，K； m为管壁质量，kg；ρ_f为熔盐密度，kg/m3；Δx为集热管长度微元；ε为管壁黑度； C为黑体辐射系数，W/m²·K⁴；c为集热器管壁比热容，J/kg·K；本实施例仿真中取N＝5。

步骤2，建立太阳能热发电储热罐模型；

配置15h的储热时长，储热所需的熔盐质量由式(3)计算。

式中，m_a为储热系统所需熔盐质量，kg；η_e为发电机的绝对电效率，％；η₁为储热系统放热过程的效率，％；P_e为太阳能热电厂的装机容量，MW；t₁为储热装置的储热小时数，h；

步骤3，建立太阳能热发电蒸汽发生器模型；

通过计算热交换器中交换的热量与两边流体温度之间的关系来实现。模型依赖于稳态热平衡计算。

总换热量：

其中

式中，Q为高温熔盐对蒸汽发生器入口水的传热量，kW；k蒸汽发生器的对流换热系数，J/m²·s·K；A_t蒸汽发生器的换热面积，m²；ΔT高温熔盐和低温熔盐的温度差，K；蒸汽发生器入口水流量和出口蒸汽流量，kg/s；h₂₂、h₁₂蒸汽发生器入口水焓值和出口蒸汽焓值，kJ/kg。

在蒸汽发生器模型中，模型仿真是在恒定的温度和压力下，计算太阳能热循环模块通过HTF传递给动力循环模块的热能。

步骤4，建立太阳能热发电系统Petri网数学模型；

用Petri网描述的太阳能热发电系统模型的边界条件：太阳能热循环模块以太阳辐照强度为输入，集热器熔盐出口质量流量为输出；动力循环模块以高温熔盐罐液位高度及集热器熔盐出口质量流量为输入，高温熔盐罐熔盐出口质量流量及系统的总输出功率即发电功率作为输出。太阳能热发电系统的运行模式包括：预热或防凝、蓄热、放热以及蓄热和放热同时进行。

根据式(1)-式(4)，对太阳能热发电系统采用分层递阶模型来描述其系统内部子系统间的相对独立性，并采用不同的Petri网工具分层建模。系统的各子系统是连续部分，利用微分方程描述并通过matlab仿真；系统不同模式之间的切换为离散事件部分。

进一步地，所述步骤4具体为：

步骤41，定义1HSPN＝{P，T，F，K，W，A，M₀}

1)P＝P^c∪P^s是有限库所集。P^C是控制库所的有限集合，P^S是状态库所的有限集合；

2)T＝{t₁,t₂,…,t_k}(k＞0)是变迁的有限集合。

3)F:T→R是定义在变迁上的函数集合；

4)K:P→R∪{ω}称为有向网的容量函数，其中ω表示无穷；

5)W:是有向弧的广义权函数；w(p_i,t_j)表示从库所到变迁的有向弧权值，w(t_j,p_i)表示从变迁到库所的有向弧权值；W^c→N，W^s→R；

6)A是节点流关系集，即有向弧集

7)M₀是库所节点初始状态标识集，M是库所节点状态标识集；标识的数量用拓肯表示，拓肯在库所中用小黑点表示。

步骤42，考虑太阳能热发电系统模式转换过程和能量转换过程的建模与控制, 对于太阳能热发电系统，其库所集为：

P＝{p₁,p₂,p₃,p₄,p₅,p₆,p₇,p₈,p₉,p₁₀,p₁₁,p₁₂,p₁₃,p₁₄,p₁₅,p₁₆,p₁₇,p₁₈}

p₁,p₂,p₃,p₄,p₅,p₆为状态库所，分别代表DNI，热储盐罐液位h，低温熔盐泵的质量流量v₁，高温熔盐泵质量流量v₂，集热器出口的熔盐温度T_out，系统发电功率P。p_i(i＝7,8,…,18)为控制库所，表示离散变量。p₇,p₈,p₉,p₁₀为低温熔盐泵的状态，其中p₇(p₁₀)表示低温熔盐泵未开启，p₈表示低温熔盐泵开启工作，p₉表示低温熔盐泵工作且其熔盐流量达到最大值；p₁₁,p₁₂为高温熔盐泵的状态，分别表示高温熔盐泵关闭和开启的状态；p₁₃,p₁₄,p₁₅(p₁₆),p₁₇(p₁₈)分别表示太阳能热发电厂的四种工作模式。

步骤43，对于给定系统，其变迁集为：

T＝{t₁,t₂,t₃,t₄,t₅,t₆,t₇,t₈,t₉,t₁₀,t₁₁,t₁₂,t₁₃,t₁₄,t₁₅,t₁₆}

t₁,t₂,t₃,t₄表示DNI的变化对低温熔盐泵状态的影响；t₅,t₆表示热储盐罐液位的变化对高温熔盐泵状态的影响；t₇,t₈,t₉,t₁₀,t₁₁,t₁₂表示高、低温熔盐泵的不同工作状态所对应的系统工作模式；t₁₃表示系统的不同工作模式对高、低温熔盐泵质量流量的影响；t₁₄表示低温熔盐泵质量流量对集热器出口的熔盐温度的影响； t₁₅表示高温熔盐泵质量流量对系统发电功率的影响；t₁₆表示高、低温熔盐泵质量流量对热储盐罐液位的影响。

步骤44，HSPN的动态行为表现为变迁发生的条件和后果，其变迁发生的条件如下：

其中，t∈T为任一变迁，°t°＝°t∪t°称为t的外延。

变迁发生的后果如下：

若M[t>，则t在M可以发生，则t发生的结果是将标识M改变为M’，M’是M 的后继，称为M’从M是可达的，记为M[t>M’。

M’(p)＝M(p)+W(t,p)-W(p,t)。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

相比于直接处理复杂的非线性系统，根据物理规律将其简化为多个子系统，更能够有效解决实际工业过程中的问题。基于系统模型，利用混杂系统的建模方法，着眼于从整体上分析系统的离散事件与连续动态相互作用的过程，建立太阳能热发电系统的Petri网模型，仿真分析太阳能热发电系统的全部动态过程。根据典型天与典型年的气象数据，分析电站在典型天气下的能量转换过程，初步估算电站在全年工况下的热力性能，为直接储热式线菲系统运行模式的分析及优化提供了直观有力的工具。

附图说明

图1是本发明实施例线性菲涅尔太阳能热发电系统整体结构图；

图2是本发明实施例集热管熔盐出口温度对输入的阶跃响应图，其中(a)为集热管熔盐出口温度对DNI的阶跃响应，(b)为集热管熔盐出口温度对熔盐入口流量的阶跃响应；

图3是本发明实施例为50MWe的电厂提供140MWth热量的热交换/温度图；

图4是本发明实施例太阳能热发电系统的HSPN模型；

图5是本发明实施例储热/放热模式下的相图；

图6是本发明实施例系统在典型晴天下的运行分析图，其中(a)为典型晴天下的DNI，(b)为系统的工作模式，(c)为高温储盐罐的液位变化；

图7是本发明实施例系统在典型多云天气下的运行分析图，其中(a)为典型多云天气下的DNI，(b)为系统的运行模式，(c)为高温储盐罐的液位变化。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

一、建立线性菲涅尔太阳能热发电系统动态模型；

系统整体结构如图1所示，对于采用熔盐直接储热(DMS)技术的线性菲涅尔太阳能热发电系统，可以考虑系统的两个主要功能单元：来自太阳的太阳能收集及转化为热能储存的太阳能热循环，以及将储存的热能转换成电能的动力循环^[4]。其中，太阳能热循环单元由聚光集热子系统和双罐储热子系统构成，动力循环由双罐储热子系统、蒸汽发生子系统和发电子系统构成。DMS通过引入一个额外的控制变量，即从高温储热罐到蒸汽发生器的质量流量，将太阳能热循环模块与动力循环模块完全解耦，使得集热器出口熔盐温度和输入到蒸汽发生器的功率可以独立控制，有利于提高太阳能热发电厂的效率和可靠性，使系统能在太阳能场的短暂瞬态中保持恒定功率的输出。

本实施例采用兰州大成敦煌50MW熔盐线性菲涅尔式光热电站的设计参数建立各子系统模型。

1.建立太阳能热发电集热系统动态模型；

菲涅尔式发电系统利用具有跟踪太阳运动装置的主反射镜列将太阳光反射聚集到具有二次曲面的二级反射镜和线性集热器上，集热器内的传热流体(HTF)受热将太阳能转化为热能。由于太阳辐射强度(DNI)变化范围较大，且集热器工作时整体温度较高，在一定假设条件下，用式(1)和(2)描述集热子系统将太阳能转换为热能的过程。

考虑单根集热管，对其沿轴向进行空间离散化。将集热管沿长度方向离散为 N段长度为Δx的微元，假设每段集热管微元接收到的能量分布均匀。根据能量守恒定律与热传导、对流传热定理，对Δx微元的管壁和管内流体建立动态模型。

其中

式中，A_m为镜场面积，m²；A为管壁与空气对流传热的换热面积，m²；A_f为熔盐与集热管对流传热的换热面积，m²；a为集热管内层横截面积，m²；h为管壁与空气间的对流传热系数,J/m²·s·K；h_f为熔盐和集热管之间的对流传热系数,J/m²·s·K；T为集热管管壁温度，K；T_a为环境温度，K；T_f为熔盐流体温度，K； m为管壁质量，kg；ρ_f为熔盐密度，kg/m3；Δx为集热管长度微元；ε为管壁黑度； C为黑体辐射系数，W/m²·K⁴；c为集热器管壁比热容，J/kg·K；本实施例仿真中取N＝5。

将表1中DNI、集热器熔盐入口温度和熔盐流量作为上述建立的集热器模型的输入，对模型进行仿真。与大成敦煌线性菲涅尔电站的实验数据进行对比，得到集热器出口温度与实验实测的集热器出口温度基本一致，证明模型稳态结果较为准确。

表1集热器稳态仿真结果与实验结果对照表

为了验证集热器的动态模型，在DNI阶跃增加及集热器熔盐入口流量阶跃增加时，分析集热器各段熔盐出口温度的动态特性。初始时接收器稳定运行，DNI 为732.4W/m²，熔盐入口流量为18.59kg/s。图2(a)为DNI阶跃增加5％时，集热管第一段及第五段的熔盐出口温度的变化。初始时，集热管第一段熔盐出口温度为334.3℃，DNI增加5％时，集热管第一段熔盐出口温度迅速上升至337.5℃，集热管第五段熔盐出口温度由550℃上升到了564℃，可以看出DNI阶跃增加后，集热器熔盐出口温度增大，且每段的熔盐出口温度升高值依次增大，熔盐温度达到稳定所需的时间变长。图2(b)为当集热器熔盐入口流量阶跃增加5％时，集热管第一段及第五段的熔盐出口温度的变化。集热管第一段熔盐出口温度下降至 332.2℃，集热管第五段熔盐出口温度下降至532.8℃，可以看出集热器熔盐入口流量阶跃增加后，集热器熔盐出口温度减小，且每段的熔盐出口温度降低值依次增大，熔盐温度达到稳定所需的时间变长。

2.建立太阳能热发电储热罐模型；

储热系统采用双罐模型，以熔盐显热进行储热。低温熔盐罐与高温熔盐罐分别独立运行。低温熔盐罐为系统运行提供液体熔盐，因此低温熔盐罐需要布置额外的加热措施对熔盐罐进行加热。高温熔盐罐保证系统稳定发电，具有存储热量的功能。

系统配置15h的储热时长，储能所需的熔盐质量可由式(3)计算，储热罐基本参数如表2所示。

式中，m_a为储热系统所需熔盐质量，kg；η_e为发电机的绝对电效率，％；η₁为储热系统放热过程的效率，％；P_e为太阳能热电厂的装机容量，MW；t₁为储热装置的储热小时数，h；

表2储热罐基本参数

3.建立太阳能热发电蒸汽发生器模型；

蒸汽发生器是太阳能热循环和功率循环之间的接口。蒸汽发生器工作在高温高压环境下，以达到给定的蒸汽压力和温度。这是通过计算热交换器中交换的热量与两边流体温度之间的关系来实现的。这里，模型依赖于稳态热平衡计算。

总换热量：

其中

式中，Q为高温熔盐对蒸汽发生器入口水的传热量，kW；k蒸汽发生器的对流换热系数，J/m²·s·K；A_t蒸汽发生器的换热面积，m²；ΔT高温熔盐和低温熔盐的温度差，K；蒸汽发生器入口水流量和出口蒸汽流量，kg/s；h₂₂、h₁₂蒸汽发生器入口水焓值和出口蒸汽焓值，kJ/kg。

如图3所示，蒸汽发生器一次侧为熔盐工质，入口温度550℃，出口温度290℃。蒸汽发生器二次侧为水/水蒸汽工质，入口温度为235℃，出口温度为540℃，蒸汽压力为14MPa。蒸汽发生器包括预热器，蒸发器以及过热器，水在预热器中加热到330℃，经管道输送至蒸发器，在蒸发器中吸收热量变为汽水混合物，由汽水分离装置使水、汽分离。分离出来的饱和蒸汽流往过热器，继续吸热成为540℃的过热蒸汽，然后送往汽轮机。在蒸汽发生器模型中，模型仿真是在恒定的温度和压力下，计算太阳能热循环模块通过HTF传递给动力循环模块的热能。

二、建立太阳能热发电系统Petri网数学模型；

用Petri网描述的太阳能热发电系统模型的边界条件：太阳能热循环模块以太阳辐照强度为输入，集热器熔盐出口质量流量为输出；动力循环模块以高温熔盐罐液位高度及集热器熔盐出口质量流量为输入，高温熔盐罐熔盐出口质量流量及系统的总输出功率即发电功率作为输出。由于太阳辐照强度的变换，使得系统在不同工况条件下会出现不同的耦合运行方式,其基本的运行模式包括以下几种。①预热/防凝；②蓄热；③仅放热；④蓄热+放热。

根据各子系统的模型，对太阳能热发电系统采用分层递阶模型来描述其系统内部子系统间的相对独立性，并采用不同的工具分层建模。系统的各子系统是连续部分，利用微分方程描述并通过matlab仿真；系统不同模式之间的切换为离散事件部分，本实施例利用混合状态Petri网(HSPN)描述。

1.petri网描述；

Petri网是德国数学家petri提出的一种通用数学模型，以描述系统中各元件之间的关系为基础，用网络来表示系统中同时、次序或循环发生的各种活动。本实施例将采用petri网建立太阳能热发电系统模型，分析不同运行模式下，热储盐罐的卸/载周期，及系统稳定供热的时长。在petri网中，库所表示系统的状态，而系统状态的变化用变迁来描述。Petri网的网络结构是静态的，其动态特性是通过离散事件的不断发生，使得变迁的使能条件被激发，从而导致库所状态的不断变化，就构成了petri网的运行。

本实施例采用混合状态petri网模型，描述如下：

定义1HSPN＝{P，T，F，K，W，A，M₀}

1)P＝P^c∪P^s是有限库所集。P^C是控制库所的有限集合,用“○”表示，P^S是状态库所的有限集合,用“◎”表示；

2)T＝{t₁,t₂,…,t_k}(k＞0)是变迁的有限集合,变迁T用表示。

3)F:T→R是定义在变迁上的函数集合；

4)K:P→R∪{ω}称为有向网的容量函数，其中ω表示无穷；

5)W:是有向弧的广义权函数；w(p_i,t_j)表示从库所到变迁的有向弧权值，w(t_j,p_i)表示从变迁到库所的有向弧权值；W^c→N，W^s→R；

6)A是节点流关系集，即有向弧集

7)M₀是库所节点初始状态标识集，M是库所节点状态标识集；标识的数量用拓肯表示，拓肯在库所中用小黑点表示。

2.太阳能热发电系统的petri网模型；

这里主要考虑太阳能热发电系统模式转换过程和能量转换过程的建模与控制。

定义2对于太阳能热发电系统，其库所集为：

P＝{p₁,p₂,p₃,p₄,p₅,p₆,p₇,p₈,p₉,p₁₀,p₁₁,p₁₂,p₁₃,p₁₄,p₁₅,p₁₆,p₁₇,p₁₈}

p₁,p_2,p₃,p₄,p₅,p₆为状态库所，分别代表DNI，热储盐罐液位h，低温熔盐泵的质量流量v₁，高温熔盐泵质量流量v₂，集热器出口的熔盐温度T_out，系统发电功率P。p_i(i＝7,8,…,18)为控制库所，表示离散变量。p₇,p₈,p₉,p₁₀为低温熔盐泵的状态，其中p₇(p₁₀)表示低温熔盐泵未开启，p₈表示低温熔盐泵开启工作，p₉表示低温熔盐泵工作且其熔盐流量达到最大值；p₁₁,p₁₂为高温熔盐泵的状态，分别表示高温熔盐泵关闭和开启的状态；p₁₃,p₁₄,p₁₅(p₁₆),p₁₇(p₁₈)分别表示太阳能热发电厂的四种工作模式。

定义3对于给定系统，其变迁集为：

T＝{t₁,t₂,t₃,t₄,t₅,t₆,t₇,t₈,t₉,t₁₀,t₁₁,t₁₂,t₁₃,t₁₄,t₁₅,t₁₆}

t₁,t₂,t₃,t₄表示DNI的变化对低温熔盐泵状态的影响；t₅,t₆表示热储盐罐液位的变化对高温熔盐泵状态的影响；t₇,t₈,t₉,t₁₀,t₁₁,t₁₂表示高、低温熔盐泵的不同工作状态所对应的系统工作模式；t₁₃表示系统的不同工作模式对高、低温熔盐泵质量流量的影响；t₁₄表示低温熔盐泵质量流量对集热器出口的熔盐温度的影响； t₁₅表示高温熔盐泵质量流量对系统发电功率的影响；t₁₆表示高、低温熔盐泵质量流量对热储盐罐液位的影响。

定义4HSPN的动态行为表现为变迁发生的条件和后果，其变迁发生的条件如下：

其中，t∈T为任一变迁，°t°＝°t∪t°称为t的外延。

变迁发生的后果如下：

若M[t>，则t在M可以发生，则t发生的结果是将标识M改变为M’，M’是M 的后继，称为M’从M是可达的，记为M[t>M’。

M’(p)＝M(p)+W(t,p)-W(p,t)

3.如图4所示，基于HSPN模型的系统分析

1)有界性；

对于控制库所，其容量不会对系统行为构成限制，设定 K(P_i)＝ω(i＝7,8,…,24)；对于状态库所，其所代表的连续变量实际有界；因此，对该有向网是k有界的。因此，该HSPN模型是动态稳定的。

对于该HSPN模型，其变迁使能的条件如下表：

表3变迁使能表

由表知对在任一标识m∈M下，存在某一变迁序列，该变迁序列的激发使得此变迁t使能。因此，该HSPN是活的，系统是可操作的。

2)可达性

建立太阳能热发电系统HSPN模型的目的是分析仿真系统在四种不同模式下的切换，利用可达性分析模式切换的实现过程。

系统正常运行下，初始标识其中，/> 当m₁<400且1020<m₂<1920时，变迁T₁,T₅,T₇使能，系统处于停机状态，由伴热系统供热防止熔盐凝固；400<m₁<1100且1020<m₂<1920时，变迁T₂,T₅,T₈使能，低温熔盐泵开启，镜场聚焦太阳能并加热流经集热器的熔盐，输送至热储盐罐；400<m₁<1100 且1920<m₂<13200时，变迁T₂,T₆,T₉使能，即热储盐罐熔盐液位达到阈值，高温熔盐泵开启，输出高温熔盐与蒸汽发生器进行热交换；m₁>1100且1920<m₂<13200 时，变迁T₃,T₆,T₁₀使能，此时DNI过高，为了保护集热器管道及防止熔盐高温相变，镜场散焦限流；m₁<300且1920<m₂<13200时，变迁T₄,T₆,T₁₂使能，DNI过低，关闭低温熔盐泵；m₁<300且m₂≤1020时，变迁T₄,T₅,T₁₁使能，热储盐罐液位至最低，关闭高温熔盐泵。

图5为利用相图分析法描述HSPN模型在初始标识为M₀时，经过一系列变迁达到M_n，实现系统储热/放热模式的过程。

三、模型验证分析

给出模型验证所需要的初始值及边界条件。DNI采用敦煌市六月典型天气下的实测数据作为输入；环境温度24℃，风速为0m/s；集热器熔盐入口温度为290℃；为了使集热器熔盐出口温度为550℃，在整个仿真过程中，将熔盐质量流量设定为一定的预定义值。

图6为系统在一个典型晴天下，DNI如图6(a)所示，系统的模式切换过程、高温储热罐熔盐的卸/载过程以及系统的发电功率。如图6(b)所示，07：10至 07：50时太阳能热循环模块工作，高温储热罐液位上升，如图6(c)所示；07： 50至19：10系统经由太阳能稳定提供热能，太阳能热循环模块和动力循环模块同时工作，高温储热罐液位上升，且以90％的负荷(45MWe)发电；19：10以后太阳辐照强度过低，太阳能热循环模块停止工作，此时高温储热罐已达最高液位，可维持系统在发电功率为45MWe下工作15h，动力循环模块持续工作直至第二日08：00。当天实验数据发电量为108.7万kwh，模型仿真发电量为108万kwh，可以看出，系统的Petri网模型准确的描述了不同工作模式下的系统动态过程。同时还确保了操作模式之间的连续转换。

图7为系统在多云天气下的运行表现，以图7(a)为例，当天为典型的多云天气，从上午09：00到下午14：00这一时段阳光比较理想，下午14时之后为多云天气，当天DNI最高值为881W/m²，熔盐液位最高到6.6m，热盐温高至550.9℃，当天发电功率最高为50MWe，发电量51万kWh，从理论模型来看，下午发电是比较困难的，但是下午仍有部分聚光集热能量，因此，实际发电量比理论发电量高一些。

同时，由图6图7对比可以看出，在天气状况良好的情况下，高温储热罐容量的利用率可达到100％，系统可实现24h稳定供电；天气状况不好，如多云天

气下，虽然太阳能热循环模块储热过程不太稳定，但是由于系统采用直接熔盐储热方式，在DNI波动较大的情况下，系统也可以在一定的时间内保持稳定供电。

四、结论

利用混杂Petri网理论对50MW线性菲涅尔太阳能热发电系统建模分析，通过输入参数的变化模拟系统在不同工况下转换的动态过程，借助Stateflow仿真工具实现了混杂系统分析验证的目的，模型运行的仿真结果与实际运行的期望符合，并与实验结果基本一致，证明了模型的可行性与有效性。结果表明，采用熔盐直接储热式的太阳能热发电站有以下优点：

1)省略了油/盐换热部分，减少了换热部分的损失，而且允许系统达到更高的操作温度，提高了系统的热效率；

2)由于储热系统的存在，使得系统可以实现24h连续发电；

3)由于来自集热器的高温熔盐全部进入高温储热罐，再由高温储热罐输入给蒸汽发生器，不仅可以对蒸汽发生器起到保护作用，而且可以在DNI短暂的突变下，保证系统稳定发电，避免了汽轮机的骤停。

通过对线性菲涅尔太阳能热发电系统建模分析，本实施例所建立的动态仿真模型建立在通过已知的DNI和集热器熔盐入口质量流量保证集热器熔盐出口温度稳定的前提下进行的，因此设计关于集热器出口熔盐温度的控制器，完善系统模型将是进一步的研究方向。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于Petri网的太阳能热发电系统建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立太阳能热发电集热系统动态模型；

用式(1)和(2)描述集热系统将太阳能转换为热能的过程；

考虑单根集热管，对其沿轴向进行空间离散化；将集热管沿长度方向离散为N段长度为Δx的微元，假设每段集热管微元接收到的能量分布均匀；根据能量守恒定律与热传导、对流传热定理，对Δx微元的管壁和管内流体建立动态模型；

其中

式中，A_m为镜场面积，㎡；A为管壁与空气对流传热的换热面积，㎡；A_f为熔盐与集热管对流传热的换热面积，㎡；a为集热管内层横截面积，㎡；h为管壁与空气间的对流传热系数,J/㎡·s·K；h_f为熔盐和集热管之间的对流传热系数,J/㎡·s·K；T为集热管管壁温度，K；T_a为环境温度，K；T_f为熔盐流体温度，K；m为管壁质量，kg；ρ_f为熔盐密度，kg/m3；Δx为集热管长度微元；ε为管壁黑度；C为黑体辐射系数，W/㎡·K⁴；c为集热器管壁比热容，J/kg·K；

步骤2，建立太阳能热发电储热罐模型；

配置15h的储热时长，储热所需的熔盐质量由式(3)计算；

式中，m_a为储热系统所需熔盐质量，kg；η_e为发电机的绝对电效率，％；η₁为储热系统放热过程的效率，％；P_e为太阳能热电厂的装机容量，MW；t₁为储热装置的储热小时数，h；

步骤3，建立太阳能热发电蒸汽发生器模型；

通过计算热交换器中交换的热量与两边流体温度之间的关系来实现；模型依赖于稳态热平衡计算；

总换热量：

其中

式中，Q为高温熔盐对蒸汽发生器入口水的传热量，kW；k蒸汽发生器的对流换热系数，J/㎡·s·K；A_t蒸汽发生器的换热面积，㎡；ΔT高温熔盐和低温熔盐的温度差，K；蒸汽发生器入口水流量和出口蒸汽流量，kg/s；h₂₂、h₁₂蒸汽发生器入口水焓值和出口蒸汽焓值，kJ/kg；

在蒸汽发生器模型中，模型仿真是在恒定的温度和压力下，计算太阳能热循环模块通过HTF传递给动力循环模块的热能；

步骤4，建立太阳能热发电系统Petri网数学模型；

用Petri网描述的太阳能热发电系统模型的边界条件：太阳能热循环模块以太阳辐照强度为输入，集热器熔盐出口质量流量为输出；动力循环模块以高温熔盐罐液位高度及集热器熔盐出口质量流量为输入，高温熔盐罐熔盐出口质量流量及系统的总输出功率即发电功率作为输出；太阳能热发电系统的运行模式包括：预热或防凝、蓄热、放热以及蓄热和放热同时进行；

根据式(1)-式(4)，对太阳能热发电系统采用分层递阶模型来描述其系统内部子系统间的相对独立性，并采用不同的Petri网工具分层建模；系统的各子系统是连续部分，利用微分方程描述并通过matlab仿真；系统不同模式之间的切换为离散事件部分；

所述步骤4具体为：

步骤41，定义1 HSPN＝{P，T，F，K，W，A，M₀}

1)P＝P^c∪P^s是有限库所集；P^C是控制库所的有限集合，P^S是状态库所的有限集合；

2)T＝{t₁,t₂,…,t_k}(k>0)是变迁的有限集合；

3)F:T→R是定义在变迁上的函数集合；

4)K:P→R∪{ω}称为有向网的容量函数，其中ω表示无穷；

5)是有向弧的广义权函数；w(p_i,t_j)表示从库所到变迁的有向弧权值，w(t_j,p_i)表示从变迁到库所的有向弧权值；W^c→N，W^s→R；

6)A是节点流关系集，即有向弧集

7)M₀是库所节点初始状态标识集，M是库所节点状态标识集；标识的数量用拓肯表示，拓肯在库所中用小黑点表示；

步骤42，考虑太阳能热发电系统模式转换过程和能量转换过程的建模与控制,对于太阳能热发电系统，其库所集为：

P＝{p₁,p_2,p₃,p₄,p₅,p₆,p₇,p_8,p₉,p₁₀,p₁₁,p₁₂,p₁₃,p₁₄,p₁₅,p₁₆,p₁₇,p₁₈}

p₁,p_2,p₃,p₄,p₅,p₆为状态库所，分别代表DNI，热储盐罐液位h，低温熔盐泵的质量流量v₁，高温熔盐泵质量流量v₂，集热器出口的熔盐温度T_out，系统发电功率P；p_i(i＝7,8,…,18)为控制库所，表示离散变量；p₇,p_8,p₉,p₁₀为低温熔盐泵的状态，其中p₇(p₁₀)表示低温熔盐泵未开启，p₈表示低温熔盐泵开启工作，p₉表示低温熔盐泵工作且其熔盐流量达到最大值；p₁₁,p₁₂为高温熔盐泵的状态，分别表示高温熔盐泵关闭和开启的状态；p₁₃,p₁₄,p₁₅(p₁₆),p₁₇(p₁₈)分别表示太阳能热发电厂的四种工作模式；

步骤43，对于给定系统，其变迁集为：

T＝{t₁,t₂,t₃,t₄,t₅,t₆,t₇,t₈,t₉,t₁₀,t₁₁,t₁₂,t₁₃,t₁₄,t₁₅,t₁₆}

t₁,t₂,t₃,t₄表示DNI的变化对低温熔盐泵状态的影响；t₅,t₆表示热储盐罐液位的变化对高温熔盐泵状态的影响；t₇,t₈,t₉,t₁₀,t₁₁,t₁₂表示高、低温熔盐泵的不同工作状态所对应的系统工作模式；t₁₃表示系统的不同工作模式对高、低温熔盐泵质量流量的影响；t₁₄表示低温熔盐泵质量流量对集热器出口的熔盐温度的影响；t₁₅表示高温熔盐泵质量流量对系统发电功率的影响；t₁₆表示高、低温熔盐泵质量流量对热储盐罐液位的影响；

步骤44，HSPN的动态行为表现为变迁发生的条件和后果，其变迁发生的条件如下：

其中，t∈T为任一变迁，°t°＝°t∪t°称为t的外延；

变迁发生的后果如下：

若M[t>，则t在M可以发生，则t发生的结果是将标识M改变为M’，M’是M的后继，称为M’从M是可达的，记为M[t>M’；

M’(p)＝M(p)+W(t,p)-W(p,t)。