一种集热场出口熔盐温度的控制方法和装置与流程

1.本技术实施例涉及信息处理领域，尤指一种集热场出口熔盐温度的控制方法和装置。


背景技术：

2.近年来，塔式太阳能光热发电系统在保持了槽式系统的优点的基础上，同时采用平面镜代替抛物镜，从而极大地减少了镜场的造价，因此成为研究热点。采用塔式集热器的方案可以达到更高的热流密度，熔融盐具有良好的导热性能，并且在较高温度下也能正常工作。采用熔盐作为传热流体，可以在保证更高的工作温度的同时降低系统压力，从而具有更高的工作效率和安全性。整个吸热过程中，熔盐始终为液态，其密度随温度的变化远小于水/蒸汽，压力更低，安全性更高，可采用更薄的吸热管，提升导热性能。熔盐的比热容大，具有良好的储热性能，可同时作为传热介质和储热介质，储热量大，储热成本低。采用熔盐作为传热介质时，吸热器将熔盐加热到高温，蒸汽发生器负责为汽轮机提供高温高压的蒸汽。因此，发电系统和聚光集热系统分开，汽轮机能够在设计工况下长期稳定运行，不仅发电效率高，而且有利于保护汽轮机和发电机。
3.塔式太阳能光热发电系统主要分为三个部分：集热子系统，热传输子系统和发电子系统。集热系统是整个系统的关键部分。集热器出口温度的控制不仅会影响发电系统的效率，更关系到系统的安全运行，因此控制系统出口工质温度尤其重要。
4.在集热场出口熔盐温度的控制中，由于被控对象的纯滞后性与不确定性，所以采用一般的串级pid(偏差的比例(p)、积分(i)和微分(d))进行控制的pid控制器控制已经达不到工艺要求。史密斯控制虽然能够消除纯滞后环节带来的极点影响，但是只能用在准确的模型上。
5.因此，需要提供一种的新的控制方案来实现对集热场出口熔盐温度的控制。


技术实现要素：

6.为了解决上述任一技术问题，本技术实施例提供了一种集热场出口熔盐温度的控制方法和装置。
7.为了达到本技术实施例目的，本技术实施例提供了一种集热场出口熔盐温度的控制方法，应用于塔式太阳能光热发电系统，所示方法包括：
8.在通过熔盐泵抽取低温熔盐至吸热器进行加热之后，在加热低温熔盐至换热器所需的熔盐入口温度之前，获取集热器出口的实时压力信息；
9.根据所述集热器出口的实时压力信息，从预先存储的广义预测器中确定所述实时压力信息对应的目标温度控制模型；
10.利用所述目标温度控制模型计算集热场出口所需的目标熔盐温度；
11.按照所述目标熔盐温度，对所述集热场出口当前的熔盐温度进行控制。
12.一种集热场出口熔盐温度的控制装置，应用于塔式太阳能光热发电系统，所述装
置包括：
13.获取模块，用于在通过熔盐泵抽取低温熔盐至吸热器进行加热之后，在加热低温熔盐至换热器所需的熔盐入口温度之前，获取集热器出口的实时压力信息；
14.确定模块，用于根据所述集热器出口的实时压力信息，从预先存储的广义预测器中确定所述实时压力信息对应的目标温度控制模型；
15.计算模块，用于利用所述目标温度控制模型计算集热场出口所需的目标熔盐温度；
16.控制模块，用于按照所述目标熔盐温度，对所述集热场出口当前的熔盐温度进行控制。
17.一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上文所述的方法。
18.一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上文所述的方法。
19.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
20.在通过熔盐泵抽取低温熔盐至吸热器进行加热之后，在加热低温熔盐至换热器所需的熔盐入口温度之前，通过获取集热器出口的实时压力信息，根据所述集热器出口的实时压力信息，从预先存储的广义预测器中确定所述实时压力信息对应的目标温度控制模型，利用所述目标温度控制模型计算集热场出口所需的目标熔盐温度，按照所述目标熔盐温度，对所述集热场出口当前的熔盐温度进行控制，可实现良好控制集热场出口熔盐温度的目的，同时还具有计算量较少，适于在线实现的效果。
21.本技术实施例的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术实施例而了解。本技术实施例的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
22.附图用来提供对本技术实施例技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术实施例的实施例一起用于解释本技术实施例的技术方案，并不构成对本技术实施例技术方案的限制。
23.图1为本技术实施例提供的集热场出口熔盐温度的控制方法的流程图；
24.图2为本技术实施例提供的塔式太阳能光热发电系统集热场出口熔盐温度的控制方法的流程图；
25.图3为本技术实施例提供的广义模型预测控制算法的示意图；
26.图4为本技术实施例提供的广义预测控制效果和pid控制效果的对比示意图；
27.图5为本技术实施例提供的集热场出口熔盐温度的控制装置的结构图。
具体实施方式
28.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本技术实施例的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
29.为此研究一种鲁棒性好、抗干扰能力强且具有大纯滞后补偿能力的控制方案是必要的。近几年来，随着计算机技术以及生产过程建模、系统辨识、自适应控制等技术的发展，clarke等人提出了广义预测控制算法(generalized predictive control,gpc)。它能克服各种不确定性和复杂变化的影响，即便系统模型出现不匹配的时候依然能够有良好的控制效果。
30.图1为本技术实施例提供的集热场出口熔盐温度的控制方法的流程图。如图1所示，图1所示方法应用于塔式太阳能光热发电系统，所示方法还包括：
31.步骤101、在通过熔盐泵抽取低温熔盐至吸热器进行加热之后，在加热低温熔盐至换热器所需的熔盐入口温度之前，获取集热器出口的实时压力信息；
32.步骤102、根据所述集热器出口的实时压力信息，从预先存储的广义预测器中确定所述实时压力信息对应的目标温度控制模型；
33.步骤103、利用所述目标温度控制模型计算集热场出口所需的目标熔盐温度；
34.步骤104、按照所述目标熔盐温度，对所述集热场出口当前的熔盐温度进行控制。
35.在系统的运行过程中，首先是“吸热阶段”。在该阶段，将低温熔盐罐中的低温熔盐经电加热器加热到熔点以上形成液态，并将低温熔盐罐与吸热器之间管道加热至熔盐熔点温度，再通过熔盐泵抽取低温熔盐至吸热器进行加热，加热至换热器所需的熔盐入口温度后，将熔盐通入高温熔盐罐进行储存。然后是“换热阶段”。在该阶段，高温熔盐罐中的熔盐达到一定液位后，与膨胀水箱中的水(由水泵从储水箱内抽取)共同抽取至换热器，通过换热器作用，将水加热为过热高温蒸汽，推动汽轮机进行发电，换热之后的熔盐通过相应管道进入低温熔盐罐形成熔盐回路。在本技术实施例提供的方法中，通过熔盐泵抽取低温熔盐至吸热器进行加热，加热至换热器所需的熔盐入口温度这一工段的集热场出口温度控制。根据压力的不同分别完成模型辨识，再根据广义预测控制来控制集热场出口熔盐温度。在得到控制器的输出后，熔盐泵根据控制器的输出进行调节，使得吸热器管道内的热工质体积流率发生变化，进而实现对集热场出口熔盐温度的良好控制。
36.本技术实施例提供的方法，在通过熔盐泵抽取低温熔盐至吸热器进行加热之后，在加热低温熔盐至换热器所需的熔盐入口温度之前，通过获取集热器出口的实时压力信息，根据所述集热器出口的实时压力信息，从预先存储的广义预测器中确定所述实时压力信息对应的目标温度控制模型，利用所述目标温度控制模型计算集热场出口所需的目标熔盐温度，按照所述目标熔盐温度，对所述集热场出口当前的熔盐温度进行控制，可实现良好控制集热场出口熔盐温度的目的，同时还具有计算量较少，适于在线实现的效果。
37.下面对本技术实施例提供的方法进行说明：
38.本技术实施例提供的方法首先对数据进行分析和变量的选择，根据压力划分不同的工况，然后对每个工况均采用粒子群辨识法完成对象传递函数参数估计，设计每个工况的基于广义预测控制的控制器，将各个工况汇总就得到全工况下集热场出口熔盐温度的控制方法，从而完成温度控制。
39.图2为本技术实施例提供的塔式太阳能光热发电系统集热场出口熔盐温度的控制方法的流程图。如图2所示，所述方法包括以下步骤：
40.阶段一：模型建立阶段
41.step1、收集目标塔式太阳能光热集热发电系统的设计资料，结合实际运行环境对
光热发电的过程进行大致的分析，找出影响集热器出口热工质温度的主要因素。
42.在运行过程中，风向、风速、环境温度和入射能量对吸热器整体散热损失和热效率的影响。重点为吸热器与熔盐、吸热器与空气之间的流动换热，一天中不同时段吸热器的能量、温度和对流换热系数的空间分布差异。塔式太阳能熔盐吸热器进口和出口熔盐温度的设计值一般为290℃、560℃。实际情况下，熔盐流量和吸热器出口温度会随风向、风速、环境温度和入射能量等外界条件的变化而改变。为了维持系统稳定运行，会采取不同的运行模式。在诸多的运行模式中，可抽象出两种“理想”的运行模式，即额定出口温度模式和额定质量流量模式。
43.因此，在通过分析后决定采用辨识模型用输入变量包括：热工质体积流率，共1个；输出变量包括：集热器出口温度，共1个。
44.step2、从scada中导出一定数量的历史数据，并进行去噪、滤波预处理，并根据工况的不同，把数据分为3份；
45.step3、根据工况把数据的前80％作为训练样本集，后20％作为测试样本集，本技术实施例提供的方法中，数据经过筛选和预处得到1000组数据。即训练样本集为800，测试样本集为200。然后采用粒子群辨识方法确定不同工况下塔式太阳能光热集热发电系统的温度控制模型；
46.阶段二：确定广义预测控制器的参数，完成控制回路
47.step4、根据被控对象的参数，计算广义预测控制器的参数；
48.step5、将被控对象和控制器结合，构成控制回路。
49.本技术实施例提供的方法，提供一种塔式太阳能光热发电系统集热场出口熔盐温度的控制方法，可实现良好控制集热场出口熔盐温度，同时还具有计算量相对较少，适于在线实现；具有实时、自学习地处理系统参数的不确定性等特点，而且相较于自适应控制算法具有更好的鲁棒性；控制系统的稳定性和鲁棒性较好，更加适用于工业生产的控制等优点。
50.为了便于理解广义模型预测控制的控制过程，可以结合算法框图进行说明：
51.图3为本技术实施例提供的广义模型预测控制算法的示意图。如图3所示。首先将得到的连续性模型离散化，然后利用广义预测控制的方法由离散化模型的参数中得到广义预测控制所用到的一系列矩阵和多项式，最后通过广义预测控制来调整控制量。
52.3.所述的step2中，具体包括以下步骤：
53.s2-1、采用依拉达准则将从scada系统中采集的历史运行数据去除异常点，具体的数学表示如下：
54.设样本数据为x1,x2…
xn，平均值为偏差为(i＝1,2
…
n)，按照bessel公式计算出标准偏差：
[0055][0056]
如果样本数据xi的偏差vi满足|vi|＞3δ，则认为数据不合理，应予剔除；
[0057]
4.所述的step3中，具体包括以下步骤：
[0058]
s3-1、将处理后的历史运行数据根据集热器出口压力筛选并分成3个子集：分别是压力为3mpa、6mpa、10mpa的时候的数据。并用三个子集分别完成粒子群的模型辨识，具体包
括以下步骤：
[0059]
训练集t由1个样本点组成
[0060]
x1＝{a}
[0061]
t＝{x1}
[0062]
其中，a是辨识用的输入变量，xi∈r是代表一个粒子，粒子运动速度表示如下：
[0063]
v1＝{va}
[0064]
粒子速度的计算公式和粒子位置计算公式如下：
[0065]vid
＝ω
×vid
c1τ1(p
id-x
id
) c2τ2(p
gd-x
id
)
[0066]
x
id
＝x
id
v
id
[0067]
其中，v
id
是粒子的速度；x
id
是粒子的位置；ω是惯性系数，或称遗忘因子；c1、c2分别为认知因子和社会因子；τ1、τ2是两个0～1的随机数；p
id
是粒子最优解；p
gd
是全局最优解。
[0068]
5.所述的step4中，具体包括以下步骤：
[0069]
s4-1、采用最小方差控制中所用的受控自回归积分滑动平均模型来描述被控对象：
[0070][0071]
其中，
[0072][0073][0074][0075]
q-1
是后移算子；y(k)q-1
＝y(k-1)；δ＝1-q-1
为差分算子；ξ(k)是一个独立的随机噪声序列。引入diophantine方程如下：
[0076]
1＝a(q-1
)ej(q-1
)δ q-jfj
(q-1
)
[0077]
其中，
[0078]ej
(q-1
)＝e
j,0
e
j,1
q-1

…
e
j,j-1
q-(j-1)
[0079][0080]
根据上几个式可得到gpc预测模型如下：
[0081]
ym(k j)＝gjδu(k j-1) fjy(k)
[0082]
其中：
[0083][0084]
最小的j步最优预测y
*
(k j|k)求取公式如下：
[0085][0086]
其中：
[0087][0088]
用矩阵表示：
[0089]y*
＝y1 gδu
[0090]
其中：
[0091]y*
＝[y
*
(k n1|k),y
*
(k n1 1|k),
…y*
(k n2|k)]
t
[0092]
y1＝[y1(k n1),y1(k n1 1),
…
y1(k n2)]
t
[0093]
δu＝[δu(k),δu(k 1),
…
δu(k n
u-1)]
t
[0094][0095]
其中：n1、n2为最小、最大预测步长，nu为控制步程(nu＜n2)，g中参数均为被控对象开环阶跃响应系数。
[0096]
最优控制规律如下：
[0097]
δu＝(g
t
×
g λi)-1gt
(y
r-y1)
[0098]
其中yr为参考轨迹。
[0099]
当前的控制作用为：
[0100]
u(k)＝u(k-1) [1,0,
…
,0](g
t
×
g λi)-1gt
(y
r-y1)
[0101]
图4为本技术实施例提供的广义预测控制效果和pid控制效果的对比示意图。如图4所示，基于gpc的控制方式的系统的上升时间和调节时间远小于pid控制，而且几乎没有超调量。而传统pid控制则需要较长时间才使得输出响应跟踪上给定值。
[0102]
在实际应用，如果输入温度波动频率较大，这可能会导致pid控制系统的震荡，同时可能导致设备出现故障。与传统pid控制相比，本技术实施例提供的方法有以下优点和积极效果：本技术实施例提供的方法对于扰动的调节，超调量和调节时间远远小于传统的pid控制，并且在模型不匹配的时候，同样具有良好的控制效果。
[0103]
图5为本技术实施例提供的集热场出口熔盐温度的控制装置的结构图。如图5所示，所述装置应用于塔式太阳能光热发电系统，所述装置包括：
[0104]
获取模块，用于在通过熔盐泵抽取低温熔盐至吸热器进行加热之后，在加热低温熔盐至换热器所需的熔盐入口温度之前，获取集热器出口的实时压力信息；
[0105]
确定模块，用于根据所述集热器出口的实时压力信息，从预先存储的广义预测器中确定所述实时压力信息对应的目标温度控制模型；
[0106]
计算模块，用于利用所述目标温度控制模型计算集热场出口所需的目标熔盐温度；
[0107]
控制模块，用于按照所述目标熔盐温度，对所述集热场出口当前的熔盐温度进行控制。
[0108]
在一个示例性实施例中，所述温度控制模型包括按照不同压力条件确定的至少两个工况的温度控制模型；其中所述温度控制模型是通过如下方式建立的，包括：
[0109]
采用如下计算表达式去除所述历史运行数据中的异常数据，将去除异常数据后的历史运行数据作为温度控制模型的样本数据；
[0110]
利用所述温度控制模型的样本数据执行模型建立操作；
[0111]
其中，如果样本数据xi的偏差vi满足|vi|＞3δ，则去除该样本数据；其中：
[0112][0113]
其中，历史运行数据的样本数据x1,x2…
xn，样本数据的平均值为偏差为i＝1,2
…
n，n为大于等于2的整数。
[0114]
在一个示例性实施例中，所述温度控制模型的输入变量为吸热器管道内的热工质体积流率，其中所述热工质体积流率是通过塔式太阳能光热发电系统中的被控对象来表示的。
[0115]
本技术实施例提供的装置，在通过熔盐泵抽取低温熔盐至吸热器进行加热之后，在加热低温熔盐至换热器所需的熔盐入口温度之前，通过获取集热器出口的实时压力信息，根据所述集热器出口的实时压力信息，从预先存储的广义预测器中确定所述实时压力信息对应的目标温度控制模型，利用所述目标温度控制模型计算集热场出口所需的目标熔盐温度，按照所述目标熔盐温度，对所述集热场出口当前的熔盐温度进行控制，可实现良好控制集热场出口熔盐温度的目的，同时还具有计算量较少，适于在线实现的效果。
[0116]
本技术实施例提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上文任一项中所述的方法。
[0117]
本技术实施例提供一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上文任一项中所述的方法。
[0118]
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。