论文总字数：25301字

摘 要

太阳能光热电站相比风电、光伏发电技术，具有可媲美传统燃煤电站的运行以及调节特性，其中光热电站对储能的引入，能够实现“以可再生能源消纳可再生能源”，减少我国的弃风弃光现象。因此光热发电技术未来将成为支撑可再生能源并网的重要技术。因此，本文就太阳能光热电站塔式、槽式、碟式三种太阳能发电技术进行了简要介绍，通过理论分析，对塔式太阳能定日镜、镜场设计、高温接收器，槽式的抛物槽、集热元件，碟式的接收面、混合加热技术进行了分析介绍，建立了部分关键技术的数学模型。之后对太阳能光热电站的集热、储热、换热器等重要部件进行了研究，并建立了集热器集热效率模型、储热罐内液面关于进出口工质流量的模型、换热器出口温度关于进口冷热物流温度以及流量的模型。同时也根据控制理论，主要对太阳能换热器进行了控制策略的研究，提出了PID控制、前馈-反馈控制等换热器出口温度控制方案；根据协调控制理论以及光热电站和传统燃煤电站的相似性，探讨了太阳能光热电站在并网时协调运行的控制方案，并对可能存在的主蒸汽压力变化过大问题对系统进行了改进。最后运用Matlab/Simulink软件，在换热器控制模型和一定的参数下，对换热器出口温度进行了控制仿真，获得了超调量、调节时间等基本满足系统要求的控制模型。

关键词：太阳能光热电站、建模、控制策略、协调控制方案、实验仿真

Abstract

Compared with wind power and photovoltaic power generation technology, solar thermal power plants have comparable characteristics to traditional coal-fired power plants, in which the introduction of thermal power plants can realize "renewable energy by renewable energy" to reduce the abandonment of wind and solar power in China. Therefore, the thermal power generation technology will become the important technology to support the grid of renewable energy. Therefore, this paper on solar thermal power station tower, trough and dish-type three kinds of solar power generation technology are introduced briefly, through the theoretical analysis, to the tower-type solar panels, mirror design and high temperature receivers, slot-type parabolic groove, heat collector elements, disc-type receiving surface, mixing heating technology are analyzed and introduced, The mathematical model of some key technologies is established. After that, the heat-collecting, heat storage and heat exchanger of solar thermal power station are studied, and the model of collector's heat efficiency, the model of the liquid level of the heat storage tank, and the model of outlet temperature and flow rate are established. Also according to the control theory, this paper mainly studies the control strategy of the solar heat exchanger, and puts forward the control scheme of the outlet temperature of the heat exchanger, such as PID control, feedforward-feedback control, etc. according to the coordination control theory and the similarity between the thermal power plant and the traditional coal-fired power station, the control scheme of the solar thermal power. The system is improved by the possibility of large variation of main vapor pressure. Finally, the control model of the heat exchanger outlet temperature is obtained by using the Matlab/simulink software and the controlling model and the adjustment time are given.

KEY WORDS：Solar thermal Power plant, modeling, coordinated control scheme, experimental simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及研究意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 2

1.3论文研究问题及目标 2

第二章 太阳能光热电站概述 4

2.1太阳能光热发电技术 4

2.2太阳能光热电站中的储热技术 9

2.2.1光热电站中的储能 9

2.2.2储热系统的运行状况 9

第三章 集热、储热和换热系统相关部件的数学模型 11

3.1集热系统的数学模型 11

3.2储热系统的数学模型 11

3.3换热系统的数学模型 13

3.4变频泵模型 16

第四章 换热器出口温度控制 18

4..1常用的工业调节器及其特点 18

4.2换热器出口温度控制策略 18

4.2.1单回路调节系统 19

4.2.2多回路控制系统 20

4.2.3 前馈--反馈调节系统 21

第五章 单位机组协调控制系统研究 23

5.1.单位机组协调控制系统研究概述 23

5.2 单元机组被控对象的数学模型 23

第六章 实验仿真与结果分析 27

6.1仿真控制介绍 27

6.2仿真对象的模型 27

6.3仿真及分析 28

第七章 总结与展望 32

致谢 33

参考文献 34

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及研究意义

我国的太阳能资源丰富充沛，特别是在西部地区，部分地区的太阳能年总辐射量达 5800 兆焦/平方米至 7400 兆焦/平方米之间，是全国太阳能丰富地区之一。同时在我国西部，煤炭资源不足，生态相对完整，同时又具有足量的太阳能资源。可致力于开发清洁的太阳能资源开发，并且西部的荒漠以及戈壁适合建造大型的太阳能光热电站基地。除此之外，太阳能光伏发电的缺点是其发电出力随意，波动性大，抗干扰能力差。并且，西部地区常规机组容量均较少，系统调频，调峰能力严重不足，在弱同步支撑的条件下，送端电网容易发生低频振荡等安全稳定问题，系统的安全稳定运行遇到巨大的挑战。相比较于光伏发电，光热发电的优点在于发电是用汽轮机进行的，出力平滑稳定，并且能将太阳能直接转化成热能，可用于供热以及能量存储，存储的热能可以在太阳辐射较差的傍晚和晚上为汽轮机提供能量转化成电力，可以满足电网调峰调频的需求。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

国外对太阳能热发电技术的研究开始较早，开始于十九世纪，经过一百多年的发展，目前有许多国家尤其是欧美国家，包括美国、俄罗斯、以色列等国家都建成了太阳能热发电站，其中部分电站已投入商业运营。

太阳能光热发电与传统燃煤发电相比，不同之处主要在于能量的来源：前者是太阳能，后者是化石燃料。太阳能间歇、不稳定等因素导致太阳能光热发电稳定性较低，因此需要有抗干扰能力强的控制策略对其进行控制，使得系统安全高效运行。E. F. Camacho，F. R. Rubio对导热油温度进行了控制，通过实验他们得到了导热油温度与其流速的数学模型，通过前馈的方法去消除其它因素对系统的影响；Roppo等人采用有限元的方法对换热器的特性进行了深入的研究；Roetzel等人建立了管壳式换热器的动态模型； Steinmann等人对蒸汽蓄热器在蓄热系统中的具体应用进行了阐述，指出蒸汽蓄热器可以储存蓄热系统的低品位能量；Bouamama等人分析了蓄热器的动态特性，并进行了仿真试验，得到了符合预期的结果； Loreto Valenzuela等人对不同状况下蒸汽出口温度和压力进行了分析，建立一阶时滞函数，将PID 控制和前馈控制相结合，用来控制温度压力；Omid Mahian ，Ali Kianifar等人研究了纳米材料在太阳能热发电系统中的应用，结果表明纳米材料可以使集热器效率提高约10%。

1.2.2国内研究现状

国内太阳能热发电技术的研究相比国外要晚。我国国内第一座70kW塔式太阳能光热电站由张耀明、王军等人在南京市江宁区建成，随后，由中国科学院电工研究所研究建设的兆瓦级太阳能塔式热发电技术在八达岭建成。目前，我国的太阳能光热技术处于试验性研究向示范项目建设的转变过程中。截至目前，国内已建成光热发电累计装机超过 20MW，其中青海浙大中控 10MW 项目。2020年，青海省规划在海南州和海西州分别建设两个千万千瓦级太阳能联合发电能源基地，规模分别达到 2578万kW和1168万kW。其中海南基地光伏规模达到1558万 kW、光热规模达到225万 kW；海西基地光伏规模达到674万 kW、光热规模达到178万kW。太阳能能源基地建设从单一光伏发电向光伏-光热等多种太阳能能源利用形式方向发展。此外，国网公司规划 2020 年建成青海塔拉～南阳±800kV 特高压直流工程，塔拉直流按照外送 1000 万 kW 功率，其中配套水电规模为 486 万 kW，配套光伏 1400 万 kW、风电 300 万 kW、光热 200 万 kW。。届时，大规模太阳能发电基地通过特高压直流远距离外送的模式将逐渐形成。总体来说，目前国内在光热电站理论研究方面已经较为成熟，但由于缺乏自主设计建设大型光热电站的经验，在电站全流程能量转换特性和各系统优化配置研究方面仍显不足。因此我国要抓紧研究太阳能光热发电相关方面的研究，紧跟世界先进技术。

1.3研究目标及研究内容

随着太阳能光热电站的不断建立，相关的太阳能技术也在不断的发展，改进优化太阳能光热电站的运行特性，使得太阳能光热电站能够在电网指令变化时及时改变自身的出力、蒸汽压力等数据，以达到电网的调频调峰要求，同时保证电站安全平稳的运行。因此课题太阳能光热发电站作为研究对象，通过建立相关集热、储热以及换热模型，分析光热电站运行状态下，与蒸汽参数以及汽轮机出力密切相关的换热器模型，根据相应的控制目标，设计并优化换热系统的控制策略，保证主蒸汽压力的稳定。同时探究汽机和换热系统之间的紧密关系，保证在满足电网要求出力的状况下的主蒸汽压力的变化稳定。

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