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儲熱(re)(re)系(xi)統(tong)(tong)（TESS）是太(tai)(tai)陽能(neng)熱(re)(re)發電(dian)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)重(zhong)要組成部(bu)分(fen)(fen)。由于太(tai)(tai)陽能(neng)資源(yuan)具有強烈的(de)(de)(de)隨機(ji)性(xing)(xing)、間(jian)歇性(xing)(xing)與波動性(xing)(xing)，為(wei)(wei)進(jin)一步提高系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)整(zheng)體可靠性(xing)(xing)，以滿足變工(gong)況運(yun)行的(de)(de)(de)需(xu)要，華北電(dian)力大學(xue)(xue)能(neng)源(yuan)動力與機(ji)械工(gong)程學(xue)(xue)院耿(geng)直等對槽式太(tai)(tai)陽能(neng)熱(re)(re)發電(dian)系(xi)統(tong)(tong)中(zhong)的(de)(de)(de)儲熱(re)(re)系(xi)統(tong)(tong)控(kong)制策略進(jin)行了(le)(le)優化研究。以儲熱(re)(re)系(xi)統(tong)(tong)中(zhong)的(de)(de)(de)核心設備油/鹽(yan)換熱(re)(re)器(qi)里的(de)(de)(de)熔融(rong)鹽(yan)蓄熱(re)(re)工(gong)質為(wei)(wei)重(zhong)點研究對象，采(cai)用比(bi)例(li)(li)、積(ji)分(fen)(fen)、微(wei)分(fen)(fen)(PID)控(kong)制理(li)論，在MATLAB/Simulink仿(fang)真環境(jing)下搭建了(le)(le)系(xi)統(tong)(tong)數(shu)學(xue)(xue)模(mo)型。利用臨界比(bi)例(li)(li)度法確(que)定了(le)(le)控(kong)制系(xi)統(tong)(tong)中(zhong)諸(zhu)多關鍵參(can)數(shu)，整(zheng)定了(le)(le)PID控(kong)制器(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)比(bi)例(li)(li)系(xi)數(shu)、積(ji)分(fen)(fen)時間(jian)等物理(li)量，并分(fen)(fen)析(xi)了(le)(le)階躍擾動下比(bi)例(li)(li)(P)控(kong)制、比(bi)例(li)(li)積(ji)分(fen)(fen)(PI)控(kong)制、PID控(kong)制這3類不同控(kong)制系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)各自動態(tai)響應特性(xing)(xing)。

仿真對比(bi)分析(xi)結果表明:較另外2種(zhong)控(kong)(kong)制(zhi)方式，PID控(kong)(kong)制(zhi)更(geng)能(neng)有效地削弱由(you)于外界(jie)擾動而引起的(de)儲熱系統(tong)(tong)(tong)振蕩，其動態響應速度更(geng)快、調節時間更(geng)短，可滿足運行穩定性的(de)要(yao)求。采用(yong)(yong)PID控(kong)(kong)制(zhi)，降低了槽式太陽能(neng)熱發(fa)電系統(tong)(tong)(tong)用(yong)(yong)儲熱系統(tong)(tong)(tong)的(de)控(kong)(kong)制(zhi)難度，提高了對外界(jie)氣象(xiang)資源變化的(de)適(shi)應性。該研究結果在(zai)學術與工程層(ceng)面均有一定的(de)指導意義(yi)。

研究重點

文章對儲熱系統研究現狀進行了(le)分(fen)析，認(ren)為通過對儲熱系統的(de)控制，能夠進一步適應太(tai)陽(yang)能資源(yuan)的(de)隨機性(xing)(xing)(xing)與(yu)波動(dong)性(xing)(xing)(xing)，從而在實際運維(wei)過程(cheng)中增(zeng)加光熱電站(zhan)的(de)可調度性(xing)(xing)(xing)。

儲熱(re)(re)系統(tong)(tong)是連接前端(duan)(duan)光(guang)場與(yu)后(hou)端(duan)(duan)發電系統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)紐帶。通過(guo)有效加強(qiang)儲熱(re)(re)系統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)控制(zhi)(zhi)(zhi)研(yan)究(jiu)，一方面可以使光(guang)熱(re)(re)發電作為電網(wang)的(de)(de)(de)(de)靈活性電源參(can)與(yu)電力系統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)調度(du)，另(ling)一方面可與(yu)其(qi)他新能(neng)源有機耦(ou)合、多能(neng)互補地(di)構建(jian)微能(neng)源網(wang)，使總輸出穩(wen)定(ding)、清(qing)潔與(yu)高效。儲熱(re)(re)系統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)控制(zhi)(zhi)(zhi)目標主要(yao)是根據負荷(he)側的(de)(de)(de)(de)具體需求，產生不(bu)同工(gong)況下的(de)(de)(de)(de)系統(tong)(tong)響應，使光(guang)熱(re)(re)電站最(zui)終輸出較為穩(wen)定(ding)的(de)(de)(de)(de)電能(neng)。該控制(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)難點在于:外界光(guang)照的(de)(de)(de)(de)不(bu)確定(ding)性與(yu)隨機波動性，導致前端(duan)(duan)聚(ju)光(guang)集熱(re)(re)系統(tong)(tong)吸熱(re)(re)不(bu)均勻，引起不(bu)同工(gong)況下內部工(gong)質熱(re)(re)學特性的(de)(de)(de)(de)變化(hua)，從而增加了控制(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)難度(du)。因此，針(zhen)對(dui)上述問題，本文采用(yong)PID控制(zhi)(zhi)(zhi)器，建(jian)立(li)滿足槽式(shi)太陽能(neng)熱(re)(re)發電儲熱(re)(re)系統(tong)(tong)要(yao)求的(de)(de)(de)(de)控制(zhi)(zhi)(zhi)策略。利用(yong)MATLAB/Simulink軟(ruan)件對(dui)儲熱(re)(re)系統(tong)(tong)優(you)化(hua)控制(zhi)(zhi)(zhi)開展(zhan)研(yan)究(jiu)，并進行參(can)數整定(ding)與(yu)仿真分析，所得結果具有一定(ding)的(de)(de)(de)(de)學術(shu)與(yu)工(gong)程應用(yong)價值。

圖1：槽式太陽能(neng)熱(re)發(fa)電系統結構圖

利用雙罐熔(rong)鹽顯(xian)熱儲熱的(de)(de)槽式(shi)太陽能熱發電系統的(de)(de)物理結(jie)(jie)構(gou)模(mo)型如圖(tu)1所示。根據經(jing)驗公式(shi)，假設以(yi)油(you)/鹽換(huan)熱器中蓄熱介質熔(rong)融鹽的(de)(de)單位(wei)流(liu)量為輸(shu)入，以(yi)充放熱過程結(jie)(jie)束后(hou)油(you)/鹽換(huan)熱器出口(kou)處(chu)熔(rong)融鹽的(de)(de)溫度為輸(shu)出，經(jing)過模(mo)型推導得到如下傳遞函數：

分(fen)別對(dui)嵌入P、PI、PID控制(zhi)系(xi)統(tong)后的溫度控制(zhi)系(xi)統(tong)進行模擬(ni)仿真分(fen)析，結果如(ru)圖2所示。

圖2：階躍響應曲線

通過對(dui)比分析圖2中3種控制方式，可得出以(yi)下結果：

首先(xian)，比(bi)例控(kong)制(zhi)的(de)輸(shu)出量(liang)(liang)(liang)與被(bei)控(kong)量(liang)(liang)(liang)的(de)誤(wu)(wu)(wu)差成(cheng)正比(bi)。誤(wu)(wu)(wu)差一旦(dan)產生，比(bi)例控(kong)制(zhi)器輸(shu)出不為0，輸(shu)出的(de)比(bi)例控(kong)制(zhi)量(liang)(liang)(liang)輸(shu)入至控(kong)制(zhi)器調(diao)節(jie)系統再輸(shu)出，從而減小誤(wu)(wu)(wu)差，比(bi)例調(diao)節(jie)的(de)動作迅(xun)速(su)且(qie)超調(diao)量(liang)(liang)(liang)較小。但是其(qi)控(kong)制(zhi)弱點(dian)在于不能消除穩態誤(wu)(wu)(wu)差;隨著Kp值的(de)繼續增(zeng)大，其(qi)還會引起(qi)系統的(de)不穩定。

其次，引入(ru)積分(fen)(fen)環(huan)節(jie)后，系統穩態誤(wu)差得以(yi)消(xiao)除(chu)。這(zhe)是因為積分(fen)(fen)環(huan)節(jie)的(de)存在(zai)使得只要儲熱系統的(de)熔鹽溫度存在(zai)誤(wu)差，積分(fen)(fen)器的(de)輸出會不(bu)斷地累積，直(zhi)到誤(wu)差為0。而(er)在(zai)引入(ru)積分(fen)(fen)環(huan)節(jie)消(xiao)除(chu)穩態誤(wu)差的(de)同時，過強的(de)積分(fen)(fen)作用(yong)會使得系統的(de)超(chao)調量增大，不(bu)利于系統穩定。

最后，當儲熱系統采用(yong)(yong)PID控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)方案時(shi)，由于微(wei)(wei)分環節的作用(yong)(yong)，系統超(chao)調量降低、阻(zu)尼增加。在受到外界干(gan)擾(rao)時(shi)，微(wei)(wei)分作用(yong)(yong)可抑制(zhi)(zhi)被控(kong)(kong)量的變化(hua)，從而較(jiao)好地改善系統動態性能。同時(shi)，由于比例、積分和微(wei)(wei)分的共同作用(yong)(yong)，較(jiao)其(qi)他方案而言，PID控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)更能有(you)效(xiao)地提(ti)高系統的動態響應速度。

在儲熱(re)單元(yuan)油/鹽(yan)換(huan)熱(re)器(qi)(qi)的(de)控(kong)制系統中，被控(kong)量(liang)為換(huan)熱(re)器(qi)(qi)出口熔(rong)(rong)融(rong)鹽(yan)的(de)溫度(du)(du)。當太陽輻射(she)強(qiang)度(du)(du)發(fa)生變化時，如果流(liu)經換(huan)熱(re)器(qi)(qi)的(de)導熱(re)油流(liu)量(liang)不變，則換(huan)熱(re)器(qi)(qi)出口熔(rong)(rong)融(rong)鹽(yan)溫度(du)(du)產(chan)生波動(dong)，從(cong)而(er)偏離設定值。經熔(rong)(rong)融(rong)鹽(yan)出口處(chu)的(de)溫度(du)(du)變送(song)器(qi)(qi)檢(jian)測(ce)后，通過(guo)比較變送(song)器(qi)(qi)輸入(ru)處(chu)理器(qi)(qi)與(yu)設定值，控(kong)制系統可根據誤差信號進行計(ji)算，產(chan)生對應(ying)的(de)控(kong)制信號，以(yi)調(diao)(diao)節(jie)熔(rong)(rong)鹽(yan)泵的(de)相關參數，并(bing)實現最終目的(de)——通過(guo)調(diao)(diao)節(jie)熔(rong)(rong)鹽(yan)泵的(de)轉(zhuan)速變量(liang)參數，改變熔(rong)(rong)融(rong)鹽(yan)的(de)流(liu)量(liang)的(de)大小，使熔(rong)(rong)融(rong)鹽(yan)溫度(du)(du)在收到外界擾動(dong)的(de)情況下可盡快恢復至(zhi)原先的(de)設定值，從(cong)而(er)保(bao)證整(zheng)個儲熱(re)系統的(de)穩定與(yu)可靠(kao)。

研究結論

儲熱(re)系(xi)統(tong)是槽式太(tai)(tai)陽能熱(re)發電(dian)系(xi)統(tong)的(de)(de)重(zhong)要組成部分，對于聯合(he)前端(duan)光場與后(hou)端(duan)熱(re)功轉換系(xi)統(tong)具有強烈的(de)(de)耦(ou)合(he)作(zuo)(zuo)用(yong)。對于外界可能存(cun)在的(de)(de)擾動變化，本文(wen)針(zhen)對槽式太(tai)(tai)陽能電(dian)站中(zhong)儲熱(re)系(xi)統(tong)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)過程中(zhong)的(de)(de)核心問題(ti)，建(jian)立了(le)合(he)理的(de)(de)動態仿真數學(xue)(xue)模型(xing)，采用(yong)PID控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)律(lv)并利(li)用(yong)臨界比例(li)度算法進(jin)行(xing)了(le)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)參數優(you)化。同時，利(li)用(yong)MATLAB/Simulink仿真軟件搭建(jian)系(xi)統(tong)數學(xue)(xue)模型(xing)，開(kai)展了(le)相關模擬工作(zuo)(zuo)，獲得了(le)一定(ding)條件下控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器參數整定(ding)后(hou)的(de)(de)階躍響應曲線，并進(jin)一步分析了(le)P控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)、PI控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)、PID控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統(tong)的(de)(de)各(ge)項性能指標。

結合文中的(de)仿真結果，可(ke)得出以下結論：與(yu)其他2種控制方(fang)式相比(bi)，PID控制能有效(xiao)克服(fu)由(you)于外界(jie)誤差變(bian)化(hua)而引起的(de)儲(chu)熱(re)系(xi)(xi)統(tong)振蕩；其動態(tai)響應速度較P控制與(yu)PI控制方(fang)式更快，需要的(de)調節時間更短。采用PID控制方(fang)案，可(ke)保證儲(chu)熱(re)系(xi)(xi)統(tong)中關鍵設備“油/鹽換熱(re)器”出口(kou)處(chu)的(de)熔(rong)鹽參(can)數維持在額定(ding)設定(ding)值范圍(wei)之內，從而有效(xiao)地(di)(di)提高了系(xi)(xi)統(tong)的(de)穩(wen)定(ding)性與(yu)可(ke)靠性，合理地(di)(di)改善了儲(chu)熱(re)單(dan)元控制系(xi)(xi)統(tong)的(de)動態(tai)性能。該(gai)研究(jiu)對于太(tai)陽(yang)能熱(re)發(fa)電儲(chu)熱(re)工程實際應用具有一定(ding)的(de)指導意義。