儲熱系統(TESS)是太陽(yáng)能熱發(fā)電系統的重要組成部分。由于太陽(yáng)能資源具有強烈的隨機性、間歇性與波動(dòng)性，為進(jìn)一步提高系統的整體可靠性，以滿(mǎn)足變工況運行的需要，華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機械工程學(xué)院耿直等對槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統中的儲熱系統控制策略進(jìn)行了優(yōu)化研究。以?xún)嵯到y中的核心設備油/鹽換熱器里的熔融鹽蓄熱工質(zhì)為重點(diǎn)研究對象，采用比例、積分、微分(PID)控制理論，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下搭建了系統數學(xué)模型。利用臨界比例度法確定了控制系統中諸多關(guān)鍵參數，整定了PID控制器中的比例系數、積分時(shí)間等物理量，并分析了階躍擾動(dòng)下比例(P)控制、比例積分(PI)控制、PID控制這3類(lèi)不同控制系統的各自動(dòng)態(tài)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(dòng)而引起的儲熱系統振蕩，其動(dòng)態(tài)響應速度更快、調節時(shí)間更短，可滿(mǎn)足運行穩定性的要求。采用PID控制，降低了槽式太陽(yáng)能熱發(fā)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(xué)術(shù)與工程層面均有一定的指導意義。
文章對儲熱系統研究現狀進(jìn)行了分析，認為通過(guò)對儲熱系統的控制，能夠進(jìn)一步適應太陽(yáng)能資源的隨機性與波動(dòng)性，從而在實(shí)際運維過(guò)程中增加光熱電站的可調度性。
儲熱系統是連接前端光場(chǎng)與后端發(fā)電系統的紐帶。通過(guò)有效加強儲熱系統的控制研究，一方面可以使光熱發(fā)電作為電網(wǎng)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(wǎng)，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(chǎn)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(diǎn)在于:外界光照的不確定性與隨機波動(dòng)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(zhì)熱學(xué)特性的變化，從而增加了控制的難度。因此，針對上述問(wèn)題，本文采用PID控制器，建立滿(mǎn)足槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電儲熱系統要求的控制策略。利用MATLAB/Simulink軟件對儲熱系統優(yōu)化控制開(kāi)展研究，并進(jìn)行參數整定與仿真分析，所得結果具有一定的學(xué)術(shù)與工程應用價(jià)值。
圖1：槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統結構圖
利用雙罐熔鹽顯熱儲熱的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統的物理結構模型如圖1所示。根據經(jīng)驗公式，假設以油/鹽換熱器中蓄熱介質(zhì)熔融鹽的單位流量為輸入，以充放熱過(guò)程結束后油/鹽換熱器出口處熔融鹽的溫度為輸出，經(jīng)過(guò)模型推導得到如下傳遞函數：
分別對嵌入P、PI、PID控制系統后的溫度控制系統進(jìn)行模擬仿真分析，結果如圖2所示。
圖2：階躍響應曲線(xiàn)
通過(guò)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(chǎn)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(dòng)作迅速且超調量較小。但是其控制弱點(diǎn)在于不能消除穩態(tài)誤差;隨著(zhù)Kp值的繼續增大，其還會(huì )引起系統的不穩定。
其次，引入積分環(huán)節后，系統穩態(tài)誤差得以消除。這是因為積分環(huán)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(huì )不斷地累積，直到誤差為0。而在引入積分環(huán)節消除穩態(tài)誤差的同時(shí)，過(guò)強的積分作用會(huì )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(shí)，由于微分環(huán)節的作用，系統超調量降低、阻尼增加。在受到外界干擾時(shí)，微分作用可抑制被控量的變化，從而較好地改善系統動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)，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(dòng)態(tài)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(yáng)輻射強度發(fā)生變化時(shí)，如果流經(jīng)換熱器的導熱油流量不變，則換熱器出口熔融鹽溫度產(chǎn)生波動(dòng)，從而偏離設定值。經(jīng)熔融鹽出口處的溫度變送器檢測后，通過(guò)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(jìn)行計算，產(chǎn)生對應的控制信號，以調節熔鹽泵的相關(guān)參數，并實(shí)現最終目的——通過(guò)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(dòng)的情況下可盡快恢復至原先的設定值，從而保證整個(gè)儲熱系統的穩定與可靠。
研究結論
儲熱系統是槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統的重要組成部分，對于聯(lián)合前端光場(chǎng)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(dòng)變化，本文針對槽式太陽(yáng)能電站中儲熱系統控制過(guò)程中的核心問(wèn)題，建立了合理的動(dòng)態(tài)仿真數學(xué)模型，采用PID控制律并利用臨界比例度算法進(jìn)行了控制參數優(yōu)化。同時(shí)，利用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建系統數學(xué)模型，開(kāi)展了相關(guān)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(xiàn)，并進(jìn)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(dòng)態(tài)響應速度較P控制與PI控制方式更快，需要的調節時(shí)間更短。采用PID控制方案，可保證儲熱系統中關(guān)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(dòng)態(tài)性能。該研究對于太陽(yáng)能熱發(fā)電儲熱工程實(shí)際應用具有一定的指導意義。
