基于聯(lián)立方程模型的塔式太陽能熱電系統(tǒng)運行優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于聯(lián)立方程模型的塔式太陽能熱電系統(tǒng)運行優(yōu)化方法。包括：對熱電系統(tǒng)各子系統(tǒng)進行分析，建立各子系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型；采用聯(lián)立方程法建立塔式太陽能熱電系統(tǒng)整體模型；以一天內(nèi)電站收益最高為目標(biāo)，熱電系統(tǒng)參數(shù)的上下限為約束條件，構(gòu)造優(yōu)化問題；利用控制向量參數(shù)化方法來求解優(yōu)化問題，得到最優(yōu)的熱電系統(tǒng)運行調(diào)度策略。基于聯(lián)立方程模型的塔式太陽能熱電系統(tǒng)運行優(yōu)化方法，能夠保證電站在市場電價下獲得最高的收益，并且發(fā)電功率、熱能存儲、工質(zhì)流量以及工質(zhì)溫度都能滿足電站正常安全運行的要求，有利于保護電站設(shè)備、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，為塔式太陽能熱電站的運行提供參考依據(jù)。
【專利說明】基于聯(lián)立方程模型的塔式太陽能熱電系統(tǒng)運行優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及塔式太陽能熱電系統(tǒng)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于聯(lián)立方程模型的塔式 太陽能熱電系統(tǒng)運行優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 太陽能是一種可再生的新能源，儲量豐富，并且具有清潔、環(huán)保、持續(xù)、長久的優(yōu) 勢，越來越受到人們的廣泛關(guān)注。美國能源部研究表明，目前太陽能聚光類發(fā)電中，塔式發(fā) 電系統(tǒng)聚光倍數(shù)高，可得到較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，更可能取代常規(guī)能源、實現(xiàn)大功率發(fā)電。 太陽能熱發(fā)電的主要原理是：定日鏡場反射聚焦太陽光至集熱器，加熱集熱器中的工作介 質(zhì)，工作介質(zhì)進入蒸汽發(fā)生器換熱，加熱給水使其產(chǎn)生高溫蒸汽推動汽輪機的運作，從而發(fā) 電。
[0003] 太陽能間歇性這一特性的存在，要求太陽能熱電站加入儲熱系統(tǒng)，從而使得發(fā)電 產(chǎn)出變得可控。這就要求對太陽能電站的操作運營包括發(fā)電量等進行優(yōu)化調(diào)度。加入儲熱 系統(tǒng)的意義在于，通過鏡場集熱器收集得到的太陽能，不再只能輸送向發(fā)電裝置部分，取而 代之的，可以使其全部或者部分儲進儲熱罐中，并在合適的時候再次取出來進行發(fā)電。
[0004] 塔式太陽能熱電系統(tǒng)一般包括集熱器、儲熱罐、管道和蒸汽發(fā)生器。正常運行時一 般要保證系統(tǒng)有穩(wěn)定的功率輸出，但經(jīng)濟效益上不是最優(yōu)的。如果考慮電價的預(yù)測，通過儲 熱系統(tǒng)能在高價格時間段釋放更多熱量，太陽能電站能夠收到更大的收益。一種優(yōu)秀的優(yōu) 化調(diào)度方法能夠應(yīng)對天氣狀況、環(huán)境溫度以及電價水平等方面的變化，以最佳的策略，盡可 能快的對電站的操作運營作出諸如調(diào)整發(fā)電量等合理的調(diào)度，從而使得電站取得更大的收 Mo
[0005] 現(xiàn)有的針對塔式太陽能熱電系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度策略，有的是針對一年的長時間段的 根據(jù)不同季節(jié)進行調(diào)整的太陽能電站優(yōu)化操作策略，有的是根據(jù)自由市場電價和子系統(tǒng)的 輸入輸出關(guān)系進行一天內(nèi)子系統(tǒng)間的靜態(tài)能量調(diào)度，也有調(diào)度策略使得電站產(chǎn)出量盡可能 大但未與市場電價進行關(guān)聯(lián)。這些優(yōu)化方法并不是基于電站整體機理模型，也沒有進行根 據(jù)整體模型進行實時動態(tài)調(diào)度，因此沒有考慮運行中各參數(shù)的變化情況，無法對系統(tǒng)內(nèi)存 在的各種影響系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行的參數(shù)變化進行實施調(diào)控。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種基于聯(lián)立方程模型的塔式太陽能熱電系統(tǒng)運行優(yōu)化方法，使電 站在市場電價下獲得最高的收益，并且發(fā)電功率、熱能存儲、工質(zhì)流量以及工質(zhì)溫度都能滿 足電站正常安全運行的要求，達到保護電站設(shè)備、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0008] (1)對熱電系統(tǒng)各子系統(tǒng)進行分析，建立各子系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。
[0009] 塔式太陽能電站的熱電系統(tǒng)包括集熱器、儲熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器和管路系統(tǒng)。在實 際的生產(chǎn)過程中，由于太陽輻射強度DNI和天氣狀況因素的變化，系統(tǒng)內(nèi)的各變量也會隨 著時間變化，因此需要對各個模塊建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型，也就是系統(tǒng)在動態(tài)過程中各種參數(shù) 隨著時間變化的數(shù)學(xué)描述。
[0010] 建立動態(tài)模型可以采用機理建模方法，根據(jù)各子系統(tǒng)的工作原理和換熱方式，用 質(zhì)量平衡、能量平衡和流體傳熱平衡方程，以及傳熱工質(zhì)的物性參數(shù)方程進行描述，分別建 立接收器、管道、儲熱罐和蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。
[0011] 接收器模型表示為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于聯(lián)立方程模型的塔式太陽能熱電系統(tǒng)運行優(yōu)化方法，其特征在于它的步驟 如下： (1) 對熱電系統(tǒng)各子系統(tǒng)進行分析，建立各子系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型； (2) 根據(jù)各子系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用聯(lián)立方程法建立塔式太陽能熱電系統(tǒng)整體模 型； (3) 考慮實時電價，以一天內(nèi)電站收益最高為目標(biāo)，熱電系統(tǒng)參數(shù)的上下限為約束條 件，構(gòu)造優(yōu)化問題； (4) 利用控制向量參數(shù)化方法求解優(yōu)化問題，得到最優(yōu)的熱電系統(tǒng)運行調(diào)度策略。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于聯(lián)立方程模型的塔式太陽能熱電系統(tǒng)運行優(yōu)化方法， 其特征在于所述的步驟（1)為： 塔式太陽能電站的熱電系統(tǒng)包括的子系統(tǒng)有接收器、管道、儲熱罐和蒸汽發(fā)生器，在生 產(chǎn)過程中，由于太陽輻射強度DNI因素和天氣狀況的變化，系統(tǒng)內(nèi)的各變量也會隨著時間 變化，因此需要對各個子系統(tǒng)建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型；分析各子系統(tǒng)的工作原理和換熱方式，采 用機理建模方法，用質(zhì)量平衡、能量平衡和流體傳熱平衡方程，以及傳熱工質(zhì)的物性參數(shù)方 程進行描述，分別建立接收器、管道、儲熱罐和蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型， 接收器模型表示為：
其中，A_OT為定日鏡總面積，I為太陽輻射強度，€為定日鏡場的效率，￡為黑度，〇 為黑體輻射常數(shù)，Am為吸熱器外部面積，Dm為吸熱器外部直徑，Tf為吸熱器內(nèi)工質(zhì)溫度，Ta 為環(huán)境溫度，Af為吸熱器內(nèi)部面積，nii為流過吸熱器內(nèi)的工質(zhì)流量，tvhf為體積對流傳熱 系數(shù)； 管道模型表示為：
其中，h是與流體密度、比熱、管徑相關(guān)的常數(shù)，t12、是與管壁金屬密度、比熱、管 徑相關(guān)的常數(shù)，Ta為管道外環(huán)境溫度，Tf為管內(nèi)流體溫度，Tw為管壁溫度； 儲熱罐模型表示為：

其中，A為填充床的橫截面積，m為流過儲熱罐的空氣流量，Tf為儲熱罐內(nèi)的工質(zhì)溫度，U為流體與環(huán)境之間的傳熱系數(shù)，Ta為環(huán)境溫度，D為儲熱罐的直徑； 蒸汽發(fā)生器模型表示為：
式中，P為流體密度，D為單位面積的質(zhì)量流速，h為流體比焓，Q為單位長度的熱流率，A為流道的橫截面積，P為流體壓力。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于聯(lián)立方程模型的塔式太陽能熱電系統(tǒng)運行優(yōu)化方法， 其特征在于所述的步驟（2)為： 針對塔式太陽能熱電系統(tǒng)具有的模型復(fù)雜且方程、變量數(shù)多的特點，采用聯(lián)立方程法 對系統(tǒng)整體模型進行求解； 模擬平臺選用過程模擬軟件gPROMS，根據(jù)建立的接收器、管道、儲熱罐和蒸汽發(fā)生器子 系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，在gPROMS平臺下建立熱電系統(tǒng)的各個子模型，然后按照輸入輸出關(guān) 系通過模型連接方程進行聯(lián)立，考慮系統(tǒng)在不同工況下的運行情況，按照不同運行模式時 的流程結(jié)構(gòu)分別進行連接，接著將DNI和傳熱工質(zhì)流量作為模型輸入，將蒸汽發(fā)生器功率 和接收器出口傳熱工質(zhì)溫度作為模型輸出，就得到塔式太陽能熱電系統(tǒng)整體模型。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于聯(lián)立方程模型的塔式太陽能熱電系統(tǒng)運行優(yōu)化方法， 其特征在于所述的步驟（3)為： 考慮對電價的預(yù)測，儲熱罐把低需求時間段的熱量轉(zhuǎn)換到高需求時間段的熱量，使儲 存的熱量升值，也使太陽能電站能夠得到更大的收益；在給定當(dāng)天每小時DNI數(shù)據(jù)以及 市場電價的情況下，計劃安排太陽能熱電站每小時的發(fā)電量，使得當(dāng)天電站所得收益最大 化； 研究塔式太陽能熱電系統(tǒng)正常運行的優(yōu)化策略，滿足熱電系統(tǒng)安全運行要求的同時盡 可能使得能量輸出達到最大值，優(yōu)化目標(biāo)為一天內(nèi)電站的收益最高；在優(yōu)化控制策略中使 用已統(tǒng)計公布的歷史電價數(shù)據(jù)作為預(yù)測得到的數(shù)據(jù)，假設(shè)各個時段中電站產(chǎn)出的電量都能 以當(dāng)前時段的自由市場的電價賣出，并且市場電價每小時變動一次，因此第i小時的電站 收益為該時段內(nèi)的市場電價乘以該時段內(nèi)的發(fā)電量： n(i) =Price(i) ?Qj 其中，n(i)為電站第i小時的收益，Price(i)為第i小時的市場電價，Qi是電站第i小時的發(fā)電量； 當(dāng)天總收益為各個小時收益的累加，目標(biāo)函數(shù)可以表示為：
電站運行時需要滿足整個系統(tǒng)的安全運行要求，需要考慮以下約束條件： 1)儲熱罐有固定的容量，當(dāng)儲熱罐中儲存的熱量達到上限則無法繼續(xù)儲存熱量，相反， 當(dāng)儲熱罐中儲存的熱量過少時也不能提取熱量；2)發(fā)電裝置有其最大發(fā)電功率，當(dāng)發(fā)電裝 置達到滿功率運作時，即使蒸汽發(fā)生器提供更多的高溫蒸汽去驅(qū)動汽輪機，也無法汽輪機 達到更大的發(fā)電功率；3)閥門開度有一定的范圍，同時工質(zhì)流量需要保證系統(tǒng)正常運行， 因此各管路中的工質(zhì)流量有上下限；4)考慮傳熱工質(zhì)在不同溫度下的穩(wěn)定性、腐蝕性，以 及接收器的使用壽命，因此傳熱工質(zhì)的溫度也有上下限；約束條件表示為： 儲熱罐儲能約束：Qntoh彡Qic;h彡QMXC;h 發(fā)電功率約束 傳熱工質(zhì)流量約束：mjmin <nij<mjmax 傳熱工質(zhì)溫度約束：Tfmin <Tjfa <Tfmax 其中，Qidl為第i小時儲熱罐儲存的能量，Qmaxc;h、Qminc;h為儲熱罐最大、最小儲熱量，Pi為 第i小時的發(fā)電功率，P_為發(fā)電裝置的最大發(fā)電功率，為第j根管道內(nèi)傳熱工質(zhì)的流量， mjmax、mjniin為第j根管道內(nèi)傳熱工質(zhì)的流量的上下限，Tjfa為第j根管道內(nèi)傳熱工質(zhì)的溫度， Tfmax、Tfmin為傳熱工質(zhì)溫度的上下限； 因此，整個優(yōu)化問題描述為：
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于聯(lián)立方程模型的塔式太陽能熱電系統(tǒng)運行優(yōu)化方法， 其特征在于所述的步驟（4)為： 針對過程動態(tài)優(yōu)化問題，采用控制向量參數(shù)化方法進行解決，該方法將控制變量離散 化為有限時間段，從而把原問題轉(zhuǎn)化為NLP問題進行求解，而CVP_SS方法基于控制向量參 數(shù)化方法，并采用了打靶策略；應(yīng)用CVP_SS方法求解塔式太陽能熱電系統(tǒng)運行優(yōu)化問題， 首先根據(jù)實際需要設(shè)置控制變量、控制間隔的初始值，確定時間節(jié)點數(shù)、約束變量上下限和 優(yōu)化時域，然后將兩點邊界值問題轉(zhuǎn)化為初值問題進行計算，通過優(yōu)化算法確定每個控制 區(qū)間的控制變量值以及持續(xù)時間，對于NLP非線性規(guī)劃問題，借助gPROMS提供的基于SQP 算法的SRQPD求解器和混合整數(shù)規(guī)劃0AERAP求解器進行求解； 當(dāng)算法終止時，得到最優(yōu)的熱電系統(tǒng)運行策略，確定了系統(tǒng)各主要變量在運行時間內(nèi) 的動態(tài)變化過程，此策略保證在市場電價下電站獲得最高的收益，并滿足電站正常安全運 行的要求，同時算法結(jié)果也給出了主要變量的變化曲線、最高收益值等信息； CVP_SS算法求解動態(tài)優(yōu)化問題的實施流程如下： 步驟一：設(shè)置控制變量、控制間隔的初始值，確定時間節(jié)點數(shù)、約束變量上下限和優(yōu)化 時域； 步驟二：通過控制參數(shù)將控制變量離散化，將優(yōu)化時域[〇，tf]分割為N個時間單元，在 各時間單元內(nèi)用分段常數(shù)函數(shù)逼近連續(xù)控制量，即u(t) =Ui，其中彡t〈ti，i=l，2…… N； 步驟三：在整個優(yōu)化時域內(nèi)確定各變量的動態(tài)過程； 步驟四：計算優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束變量，判斷目標(biāo)函數(shù)是否最優(yōu)、約束條件是否滿足。 此時如果滿足終止條件則算法終止轉(zhuǎn)到步驟六，否則轉(zhuǎn)到步驟五； 步驟五：計算目標(biāo)函數(shù)關(guān)于控制參數(shù)的梯度，調(diào)整控制變量和控制間隔，轉(zhuǎn)到步驟二； 步驟六：輸出控制變量、約束變量的動態(tài)曲線以及優(yōu)化目標(biāo)值，得到最優(yōu)的運行調(diào)度策 略。
【文檔編號】G06Q10/04GK104408534SQ201410734256
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】趙豫紅, 任濤 申請人:浙江大學(xué)