華北電力大學:采用PID控制,可降低槽式太陽能熱發電系統中儲熱系統的控制難度
發布者:lzx | 來源:華北電力大學能源動力與機械工程學院 | 0評論 | 1779查看 | 2019-05-09 19:01:18    

儲熱系統(TESS)是太陽能熱發電系統的重要組成部分。由于太陽能資源具有強烈的隨機性、間歇性與波動性,為進一步提高系統的整體可靠性,以滿足變工況運行的需要,華北電力大學能源動力與機械工程學院耿直等對槽式太陽能熱發電系統中的儲熱系統控制策略進行了優化研究。以儲熱系統中的核心設備油/鹽換熱器里的熔融鹽蓄熱工質為重點研究對象,采用比例、積分、微分(PID)控制理論,在MATLAB/Simulink仿真環境下搭建了系統數學模型。利用臨界比例度法確定了控制系統中諸多關鍵參數,整定了PID控制器中的比例系數、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類不同控制系統的各自動態響應特性。


仿真對比分析結果表明: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振蕩,其動態響應速度更快、調節時間更短,可滿足運行穩定性的要求。采用PID控制,降低了槽式太陽能熱發電系統用儲熱系統的控制難度,提高了對外界氣象資源變化的適應性。該研究結果在學術與工程層面均有一定的指導意義。


研究重點


文章對儲熱系統研究現狀進行了分析,認為通過對儲熱系統的控制,能夠進一步適應太陽能資源的隨機性與波動性,從而在實際運維過程中增加光熱電站的可調度性。


儲熱系統是連接前端光場與后端發電系統的紐帶。通過有效加強儲熱系統的控制研究,一方面可以使光熱發電作為電網的靈活性電源參與電力系統的調度,另一方面可與其他新能源有機耦合、多能互補地構建微能源網,使總輸出穩定、清潔與高效。儲熱系統的控制目標主要是根據負荷側的具體需求,產生不同工況下的系統響應,使光熱電站最終輸出較為穩定的電能。該控制的難點在于:外界光照的不確定性與隨機波動性,導致前端聚光集熱系統吸熱不均勻,引起不同工況下內部工質熱學特性的變化,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電儲熱系統要求的控制策略。利用MATLAB/Simulink軟件對儲熱系統優化控制開展研究,并進行參數整定與仿真分析,所得結果具有一定的學術與工程應用價值。


圖1.jpg

圖1:槽式太陽能熱發電系統結構圖


利用雙罐熔鹽顯熱儲熱的槽式太陽能熱發電系統的物理結構模型如圖1所示。根據經驗公式,假設以油/鹽換熱器中蓄熱介質熔融鹽的單位流量為輸入,以充放熱過程結束后油/鹽換熱器出口處熔融鹽的溫度為輸出,經過模型推導得到如下傳遞函數:


公式1.jpg


表1.jpg


分別對嵌入P、PI、PID控制系統后的溫度控制系統進行模擬仿真分析,結果如圖2所示。


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圖2:階躍響應曲線


通過對比分析圖2中3種控制方式,可得出以下結果:


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節系統再輸出,從而減小誤差,比例調節的動作迅速且超調量較小。但是其控制弱點在于不能消除穩態誤差;隨著Kp值的繼續增大,其還會引起系統的不穩定。


其次,引入積分環節后,系統穩態誤差得以消除。這是因為積分環節的存在使得只要儲熱系統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。而在引入積分環節消除穩態誤差的同時,過強的積分作用會使得系統的超調量增大,不利于系統穩定。


最后,當儲熱系統采用PID控制方案時,由于微分環節的作用,系統超調量降低、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動態性能。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的動態響應速度。


在儲熱單元油/鹽換熱器的控制系統中,被控量為換熱器出口熔融鹽的溫度。當太陽輻射強度發生變化時,如果流經換熱器的導熱油流量不變,則換熱器出口熔融鹽溫度產生波動,從而偏離設定值。經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定值,控制系統可根據誤差信號進行計算,產生對應的控制信號,以調節熔鹽泵的相關參數,并實現最終目的——通過調節熔鹽泵的轉速變量參數,改變熔融鹽的流量的大小,使熔融鹽溫度在收到外界擾動的情況下可盡快恢復至原先的設定值,從而保證整個儲熱系統的穩定與可靠。


研究結論


儲熱系統是槽式太陽能熱發電系統的重要組成部分,對于聯合前端光場與后端熱功轉換系統具有強烈的耦合作用。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控制過程中的核心問題,建立了合理的動態仿真數學模型,采用PID控制律并利用臨界比例度算法進行了控制參數優化。同時,利用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建系統數學模型,開展了相關模擬工作,獲得了一定條件下控制器參數整定后的階躍響應曲線,并進一步分析了P控制、PI控制、PID控制系統的各項性能指標。


結合文中的仿真結果,可得出以下結論: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振蕩;其動態響應速度較P控制與PI控制方式更快,需要的調節時間更短。采用PID控制方案,可保證儲熱系統中關鍵設備“油/鹽換熱器”出口處的熔鹽參數維持在額定設定值范圍之內,從而有效地提高了系統的穩定性與可靠性,合理地改善了儲熱單元控制系統的動態性能。該研究對于太陽能熱發電儲熱工程實際應用具有一定的指導意義。

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