[发明专利]一种光-储-热供电机组及其控制方法

权利要求书

1.一种光-储-热供电机组，其特征在于，包括太阳能集热单元、相变储热单元、低温余热发电单元，以及管线；

所述太阳能集热单元包括：槽式集热聚光太阳能板，传热流体，阀门V1；所述相变储热单元包括：相变储热罐，传热介质，阀门V2；所述低温余热发电单元包括：蒸发器，膨胀机，发电机，冷凝器，工质泵，循环工质，阀门V3；

所述槽式集热聚光太阳能板通过管线与相变储热罐一端相连，其中管线中流过传热流体并安装有阀门V1；所述相变储热罐另一端通过管线与蒸发器一端相连，其中管线中流过传热介质并安装有阀门V2，蒸发器另一端通过管线依次与膨胀机、冷凝器、工质泵相连，其中管线中流过循环工质并安装有阀门V3，膨胀机另一端与发电机通过管线相连；

所述的一种光-储-热供电机组，用于实现一种光-储-热供电机组控制方法，包括以下步骤：

步骤1：对光-储-热供电机组的太阳能集热单元与相变储热单元进行数学建模；

步骤1.1：太阳能集热单元中槽式集热聚光太阳能板将太阳能转化为热能，建立太阳能集热单元吸热数学模型，热能通过传热流体将热量传递给相变储热罐；

所述太阳能集热单元吸热数学模型为：

Q_absorb＝I_cη_optA_fcosθ (1)

式中：Q_absorb为槽式集热聚光太阳能板吸收的热量，η_opt为总体光学效率，θ为太阳光入射方向与槽式集热聚光太阳能板的夹角，A_f为集热板面积，I_c为槽式集热聚光太阳能板的直接光照辐射强度；

单位长度集热腔体吸收器自身的能量守恒方程为：

式中：ρ_a为支管的密度，c_a为支管的比热容，A_a为支管的横截面积，T_a为管壁的温度，表示管壁的温度变化，T_f为传热流体的温度，h_a为管壁与传热流体流之间的换热系数，P_a为管壁的压强，q_loss为热损失；

相变储热罐内的热平衡方程为：

式中：ρ_f为传热流体的密度，c_f为传热流体的比热容，A_t为储热罐的横截面积，T_t为储热罐的温度，t为时间，m_f为传热流体的流率，λ_f为传热流体的导热系数，h_t为储热罐与环境的对流换热系数，P_t为储热罐的压强；

步骤1.2：设定流体的流速分为阀门V1关闭以及打开时两种状态；

当阀门V1关闭时，状态如下所示：

当阀门V1打开时，假设腔体内流体沿轴线方向均匀变化，状态如下所示：

式中：C为常数，通过阀门V1开度来控制；

步骤1.3：通过设置打开阀门V1的开度，控制流体的流速，以影响相变储热罐内的温度，当测量温度低于设定标椎温度时，打开阀门V1，当测量温度高于设定标椎温度时，则关闭阀门V1；

步骤2：对储热单元与发电单元进行数学建模；

步骤2.1：通过相变储热罐内传热介质的循环，将储存的热量带到蒸发器内，与低温余热发电单元内的循环工质交换热量，建立蒸发器模型；

所述蒸发器模型表示为以下状态空间方程：

式中：x_ev为蒸发器的状态变量，f_ev()蒸发器空间状态函数符号；为x_ev＝[L₁,L₂,P_e,h_o,T_w1,T_w2,T_w3,T_a1,T_a2,T_a3]^T；根据循环工质的不同相态将蒸发器分成：过冷区、两相区、过热区三个区，L₁、L₂分别为过冷区和两相区的长度；P_e为蒸发压力；h_o为循环工质在蒸发器入口的焓值；T_w1、T_w2、T_w3分别为蒸发器三个区的管壁温度；T_a1、T_a2、T_a3分别为各个区对应的烟气温度；域为输入向量；分别为循环工质在蒸发器出口和入口的质量流量；h_i为循环工质在蒸发器出口的焓值；v_e为储热罐放热介质的流速；T_t为传热介质的入口温度；

步骤2.2：建立膨胀机稳态模型；循环工质经过膨胀机后做功，将热能转化为机械能带动通过发电机进行发电，通过控制阀门V₂来控制系统是否进行发电，关闭阀门V₂则系统不再发电，打开阀门V₂则系统开始发电；

所述膨胀机稳态模型如下面的方程所示：

y_exp＝g_exp(u_exp) (8)

式中：u_exp为膨胀机的输入向量，u_exp＝[P_exp,sup,v_exp,sup,P_c,R_exp,h_exp,sup]^T；P_exp,sup为膨胀机中循环工质的压力；v_exp,sup为工质的流速，P_c为工质压力；R_exp为膨胀机的转速；h_exp,sup为膨胀机入口焓值；输出向量为膨胀机的质量流量；w为膨胀机输出功率；h_exp,o为膨胀机出口焓值；

发电机将膨胀机输出的机械功率，转化为电能，其数学模型如下：

式中：为角速度的变化量，P_T为同步发电机的机械功率，P_E为同步发电机的电磁功率，T_J为发电机转子转动惯量，ω为发电机转速，ω_n为额定转速；

步骤2.3：建立冷凝器模型以及工质泵稳态模型，膨胀机排出的循环工质在冷凝器中恢复原有状态，经工质泵加压后完成一次循环；

所述冷凝器模型表示为以下状态空间方程：

式中：x_c为冷凝器的状态变量，x_c＝[L_c1,L_c2,P_c,h_co,T_cw1,T_cw2,T_cw3]^T；将冷凝器分成三个区，分别是过热区、两相区、过冷区，L_c1、L_c2分别为过热区和两相区的长度；P_c为冷凝器中循环工质的压力；h_co为工质在冷凝器出口的焓值；T_cw1、T_cw2、T_cw3分别为冷凝器三个区的管壁温度；是输入向量；分别为循环工质在冷凝器入口和出口的质量流量；h_ci为循环工质在冷凝器入口的焓值；v_c为冷却工质的流速；

所述工质泵稳态模型由下面的方程表示：

y_p＝g_p(u_p) (9)

其中u_p为工质泵的输入向量，R_p为工质泵的转速；h_pi为循环工质在工质泵入口的焓值；P_pi、P_po分别为循环工质在冷凝器入口和出口的压力；为循环工质在工质泵中的流速；是输出向量；为工质泵的质量流量；h_po为循环工质在工质泵出口的焓值；

步骤3：将步骤1和步骤2得到的数学模型进行连接，得到系统的整体模型，如下式所示：

其中x为状态变量；模型的输入与输出分别为u＝[μ_t,R_p,v_e,v_c]^T和y＝[W,P_e,T_e,T_c]^T，根据发电单元的结构与上述的器件的数学模型，其中μ_t为膨胀阀阀门V3开度，R_p为工质泵的转速，W为发电机输出功率，T_e为蒸发器出口温度，T_c为冷凝器出口温度；

步骤4：采用PID控制方法，通过控制膨胀阀阀门V3开度μ_t、工质泵的转速R_p、储热罐放热介质的流速v_e、冷却工质流速v_c的大小，达到对发电机输出功率W、蒸发压力P_e、蒸发器出口温度T_e、冷凝器出口温度T_c的控制；

所述PID控制用公式表示为：

式中：u(k)为控制器的输出，K_p为比例增益，T_s为计算周期，T_i为积分系数，T_d为微分系数，k为采样时刻，k＝1,2,3…，e(k)、e(k-1)和e(j)分别为第k、第k-1时刻和第j时刻所得到的系统偏差信号；

步骤5：将所搭建的光-储-热供电机组接入微电网，通过最优控制方法，确定单个系统的供能数量，对系统建立优化运行模型，使用分布式优化控制方法，以达到经济效益的最优；

步骤5.1：设定机组运行成本：

式中：是第n个供电机组的有功功率；为第n个供电机组供电成本；为供电机组的成本系数；

步骤5.2：设定光-储-热供电机组运行约束，具体包括容量约束、节点间电压相角约束、潮流平衡约束：

设定所述容量约束为：

式中：和分别为系统发电机组出力的上下限；

设定所述潮流平衡约束为：

假设节点间有一条联络线导纳为y_i,j，连接节点i和节点j；对于给定节点j的电压V_j和相位θ_j，建立在(i，j)节点区间的线损公式：

式中：电压V_i，为本地的节点电压与连接区域电压，相位θ_i，被假定为本地的节点相角与潮流计算后得出的连接母线相角；若母线(i，j)间不存在连接区域，y_i,j＝0，得到P_i,j＝0MW；如果并且得到P_i,j＝0MW；定义：v_i＝[V_i,θ_i]^T，得到以下节点间电压相角约束：

因此得到潮流平衡约束，如下式所示：

式中：表示节点i内的系统发电装置集合；表示节点i内第n台供电机组的供电功率；M表示区域电网所有节点集合；表示节点i内的用电负荷；

步骤5.3：设计分布式控制方法；

对系统建立经济效益目标函数，即发电成本，模型如下：

式中：C_i为节点i上的总成本；

则电网节点i的最优潮流问题为：

其中，自变量x_i定义为h_i(x_i)表示所有约束的向量值，包括容量约束(14)、节点间电压相角约束(16)和潮流平衡约束(17)；则考虑光-储-电供能系统的最优潮流问题建模为：

由于节点(i，j)间的连接线路存在，节点间的耦合变量看作是电网节点i为所有与之相连的节点提供的接口；

采用增广拉格朗日矩阵将目标函数(20a)中的C_i(x_i)改写成如下扩展形式：

同时为目标定义约束指标：

有下式：

引入辅助变量和则：

目标函数与约束条件分开，构造增广拉格朗日函数

式中：x＝[x₁，…，x_M]^T为控制变量；为与拉格朗日系数；定义为ρ(ρ0)为增广拉格朗日乘子的惩罚因子；T_i为积分系数；

步骤6：将步骤5中优化运行模型代入系统，对优化模型进行求解得到系统最优运行策略，系统中各设备机组根据此策略运行，实现对此系统的分布式优化控制。