新一代光热发电控制软件及其系统

信息时间：2024-07-11 信息来源：中国自动化学会

导读：2023年10月28日，由中国自动化学会主办的2023国家工业软件大会在浙江湖州盛大开幕。大会以“工业软件·智造未来”为主题，汇聚了25位国内外院士，1500余位代表，共同探讨工业软件领域前沿理论和技术创新应用问题，共同谋划我国工业软件未来发展之道。

浙江可胜技术股份有限公司金建祥董事长受邀在2023国家工业软件大会中作题为“新一代光热发电控制软件及其系统”的专题报告。光热发电属于太阳能发电的一个分支，它自带大规模低成本长时储能，涉网性能优异，全生命周期内碳排放远低于光伏，在未来高比例风光新能源的电力系统中具有不可替代作用。塔式熔盐储能光热发电技术是新一代光热发电技术，其核心技术就是控制技术与软件技术，本报告对此做了详细分析与应用介绍。

一、塔式光热发电技术及其定位

2020年9月，总书记提出了“双碳”目标，包括碳达峰和碳中和，这是应对气候变化和减少碳排放的重要承诺。实现碳达峰相对较容易，可通过到达峰值后减少碳排放来实现，但达到碳中和则更具挑战性。要实现碳中和，必须大力发展可再生能源，其中包括光伏和风电等清洁能源。中国制定了针对大型风电和光伏基地的规划布局方案，特别侧重于沙漠、戈壁和荒漠地区，计划到2030年规划建设风光基地总装机约4.55亿千瓦。如图1所示，根据相关权威机构的预测，为在2060年实现碳中和，风电和太阳能发电总装机将需要达到60亿千瓦，装机占比近80%。截至今年9月底，全国发电装机总容量达27.9亿千瓦，远远超过中国目前最大负荷，其中，风电和光伏装机容量合计达到9.2亿千瓦。因此，在这一背景下，风电、光伏装机保持快速增长的同时，未来对储能技术的需求将继续增长，以更有效地管理可再生能源并确保电力供应的稳定性。



图1  2020-2060年我国各类电源装机总量变化

因此，2021年3月15日国家提出构建以新能源为主体的新型电力系统这一提议。对于从事电力系统工作的人来说，这意味着电力系统将面临重大的挑战和变革。因为大量的分布式电源通过电力电子设备进行并网，这使得以新能源为主体的电力系统面临许多新问题需要解决，现有的分析工具、原理和规范可能需要重新思考和更新。这也强调了新能源技术的快速发展对电力行业和研究领域的影响，迫使我们积极探索和解决新的电力系统挑战。

新型电力系统面临着三大严峻挑战。传统的电力系统在电源与负荷之间维持平衡，通过频率调整来确保系统的稳定性。然而，以新能源为主体的电力系统引入了不可控因素，导致以下三个主要问题：

1.电力供应的保障难度增加：高峰用电需求通常与风力和太阳能发电的高产期不重合。这意味着在高峰时段，可能会出现电力供应不足的情况，需要采取措施来确保电力供应的稳定性。

2.电网安全稳定运行风险增加：风电、光伏和电化学储能技术都依赖于电力电子设备进行并网。这些设备缺乏转能惯量，不具备支撑电网大规模输送电力的能力，因此可能对电网的安全稳定运行产生重大影响。

3.新能源大规模高比例的并网问题：可再生能源的装机容量往往远超过最大负荷需求，现有灵活电源的调节能力和储能容量远远不够，如何有效地吸纳和管理过剩电力将成为一个挑战。

这些挑战将随着风电和光伏装机容量的增加而日益严峻。解决这些问题需要采取创新的措施，包括发展更强大的储能技术、智能电网管理系统，以及采用多元化的可再生能源发电技术。

光伏发电和光热发电代表了太阳能发电领域两种不同的技术路径。光伏发电将太阳光的低能量密度直接转化为直流电，然后通过逆变器将电能并网，实现电力供应。这一技术的优势众多，包括简单、低成本、对环境要求不高，以及能够在各种地点安装和维护的便捷性。然而，光伏发电有一个显著的弱点，即电力产生完全依赖于太阳光的可用性。

相比之下，光热发电采用一种不同的方法，它首先将太阳光聚焦到集热器上，将其转化为热能，然后储存起来。太阳光能量密度较低，但通过将其数百倍地聚焦，可以实现更高的能量密度。光热发电系统中使用的储能介质是一种特殊的混合盐，由硝酸钾和硝酸钠组成。这种盐在物性上发生显著变化，包括熔点、沸点、比热容和粘度等方面。其熔点在200-220℃之间，可储存高温差的热能。这种熔盐储能系统的优势在于相对低廉的成本，一吨盐可以储存大约40度电所需要的热能，综合成本较低。此外，这种盐非常稳定，不会氧化，也不会发生爆炸。

光热发电技术和熔盐储能系统的发展为可再生能源提供了新的可能性。它们提高了能源的储存效率，解决了光伏发电的波动性问题，确保了连续供能。这种创新有望在未来的清洁能源领域中发挥关键作用，促进更可持续的能源生产和利用，为我们实现能源转型和减少碳排放提供了有力支持。光伏发电和光热发电代表了太阳能发电技术的两个重要方向，各自在不同应用和场景中发挥作用，共同推动了清洁能源的发展。

第一代光热发电技术类似于家用太阳能热水器，其基本原理是在抛物面凹槽的焦点处安装一个集热管，用来高效聚焦太阳能热量。第二代光热发电技术如图2所示，一般太阳能热水器的聚焦倍数较低，通常不超过80倍，而这项新一代技术能够将聚焦倍数提高到一千倍，甚至可以通过软件调整到两千倍。这一技术使用大量的镜子，跟随太阳的运动，确保太阳光线一直反射到位于约250米高的吸热器上，达到一千倍的聚焦后，能量密度显著提高，易于有效利用。通过这一过程，低温盐可以迅速被加热至高温度，然后储存在高温盐罐中，每吨盐可以储存40度电所需的热能。该技术巧妙地将能源的收集和储存结合在一起，后续步骤与传统的煤电发电方式相似，即将高温的热能与水进行换热，通过蒸汽发生器获得高温高压的过热蒸汽，以用于推动汽轮机发电。目前，这项技术已经实现了高达540-550℃的蒸汽温度，并可以达到46%以上的热电效率。



图2  典型塔式光热电站原理

光热发电技术存在一个重要挑战，即太阳辐射能不稳定与电网稳定用电需求之间的矛盾，但利用熔盐储能系统可以克服这一问题。熔盐储能具备多重优势，包括更低的成本、长期可靠的寿命、无爆炸风险，以及全生命周期的环保性，这使得熔盐储能成为一个具有广泛应用前景的替代方案。

当前，中国电网主要依赖煤电，全社会用电量大约70%是由火电提供的，这使得煤电成为了调峰的主力电源。然而，光热的调节能力优于煤电。煤电的调节能力受到限制，主要是由于锅炉性能难以将负荷降至较低水平。即使进行深度调峰改造，大多数煤电厂的负荷也很少低于20%。一旦降到20%以下，通常需要依赖柴油等备用电源来维持稳定供电。相比之下，光热发电非常容易降低到15%的最低负荷。此外，煤电系统的负荷调节速度较慢，因锅炉惯性较大，通常需要一个小时或更长时间才能实现从50%升至100%的调节。而光热发电系统的调节速度更快，通常在20分钟内就能实现。

光热发电技术在低碳清洁能源领域表现出卓越的性能，其全生命周期的电力碳排放量仅为光伏发电的五分之一，而熔盐储能的低成本和环保特性使其能够实现大规模、低成本的能源储存，同时调节能力强于传统火力发电。因此，光热发电技术对于构建高比例可再生能源的电力系统和确保电网安全运行具有重要意义。

二、塔式光热发电系统及其控制难点

图3是一个经过简化的塔式光热发电工艺流程图，从右到左依次展示了各个部分。最右侧是传统的汽轮机，经过必要的简化处理。最左侧是进口处的聚光集热系统，用来将低密度的太阳光聚焦，将其转化为高温热能。在中间部分是熔盐储热系统，其中包括两个盐罐，一个是低温罐，另一个是高温罐。这个系统产生高温高压的蒸汽，其参数通常在13.7MPa、545℃左右。



图3  典型塔式光热发电系统简化工艺流程图

光热发电的核心挑战之一是镜场控制技术。这一技术面临三个主要问题：首先，镜场规模庞大。一个光热电站的镜场通常包含超过50万个电控点，远远超出常规控制系统的控制规模。其次，对可靠性要求非常高，镜场面积广阔，需要在极端自然环境条件下正常运行，包括高温、低温、风沙和雷电等。一些控制系统必须在特定恒温恒湿的机房内运行，但光热镜场的巨大规模和开放性环境使得这种特殊处理不现实。第三，需要长期保持精确控制，但监控和维护难度较大。光热发电系统还需要解决能量损失问题，由于云层或阴天经常出现，导致表面温度急剧变化，对设备构成热应力，因此需要精确的温度控制以防止设备损坏。此外，避免镜子失焦也是关键，否则可能导致热能聚焦在不应照射的地方，对设备造成损害。

此外，光热发电领域还面临着极高的精度要求，如图4所示。通常，控制系统需要能够检测误差并通过控制规律进行调整，以减少偏差和消除余差。然而，在光热发电的复杂应用场景下，无法实现闭环控制，因为光的感知是非线性的，而光照度达到一定程度后，对光的变化变得不敏感，这对控制系统的操作构成了挑战。光热发电站需要具备大规模和经济性，因此，光热镜场通常拥有巨大的面积，同时具有高度的精度要求。镜面必须精确地照射到远处的吸热器上，这要求平均跟踪精度达到3-4mrad，而面对不同时间段的风向变化、风速和不确定性以及气象因素时，镜场的控制就变得非常复杂。



图4  镜场高精度聚光示意图

在高精度控制方面，需要强调的是，如果不是专业的控制工程师来负责镜场控制，早上和下午的光斑分布会出现显著的差异。光斑有的区域非常明亮，而有的区域非常昏暗。高亮度区域很容易导致熔盐气化，而一旦熔盐温度超过600度，将进入一种恶性循环。外部聚焦光投射到这些区域时，一旦熔盐不能有效带走热量，会导致不锈钢吸热管熔化。但如果聚光倍数很低，有可能在吸热器的进盐口发生严重的堵管生产事故。因此，光热发电的高精度控制对于确保安全和高效运行至关重要。

光热电站通常位于沙漠、戈壁和荒漠地区，这些地方阳光充足，但生活条件相对较差，不太吸引受过良好教育和自由职业的人前往。因此，确保光热电站能够全自动运营成为关键因素。依赖人力运营这样的电站是不太可能的，因为光热电站的运营比煤电站复杂得多。因此，实现全自动运营对于提高光热电站的产能和降低成本具有重要意义。

光热电站涉及多个关键组件，包括镜场、吸热系统、储换热系统，这些组件需要进行顺序控制、连续控制以及校正的自适应控制。如图5所示，由于光热发电涉及多个环节，通常工程师都会采取保守的设计方法，为每个环节留有一些裕量，这导致了光能转化为电能的效率明显降低，同时也增加了投资成本。优化的空间在于设计和运行阶段，通过降低设计的裕度来降低投资成本，并通过提高光电转化效率来提高发电效率。以50MW电站为例，设计点初始设计效率为22%，但实际测量效率为24.2%，提高了10%。这是因为在设计中为每个环节留有过多的余量，导致设计效率较低。因此，在设计和运行阶段都存在优化的潜力，以提高太阳能的利用效率，减少浪费。目前，塔式光热发电作为新一代的发电技术，发电效率约为16-17%，实际光能转化为电能的比例相对较低，大部分太阳能被浪费。



图5  光-电转化环节

三、塔式光热发电系统软件

光热电站存在与IT技术也息息相关。首先，网络架构非常庞大，一旦网络中断，数万面的定日镜会在几分钟内失灵，导致光线偏离焦点。其次，太阳轨迹随着时间不断变化，每天在相同时间太阳的角度也不同，需要进行天文计算来准确预测。在光热电站中，成千上万面的镜子由于细微的经纬度和海拔差异，同一时间的太阳角度也各不相同，这也需要进行天文计算。然而，随着新一代光热技术的计算能力大幅增强，与20年前相比，现在能够更轻松地计算每个定日镜在第二天每隔数秒的太阳高度角，而不需要使用大型超级计算机。

光热电站采用分层式网络架构，如图6所示，DCS系统用于整个电厂的控制，而镜场控制系统则采用一种分层的网络结构，支持多达10万台日光镜，约有60万个数据点。加上常规控制系统的2万个数据点，总计达到62万个数据点，这可以覆盖超过300万平方米的聚光面积，年发电量可达10亿度电。此外，系统还包括气象检测和校正系统。气象检测系统用于制定云策略，以最大程度地提高太阳光的利用效率，并监测大风等恶劣天气条件，确保设备安全运行。校正系统采用自动标定技术，使安装过程中的精度要求降低，而后使用校正软件和数码相机来实现自动校准。这种自动校准技术大幅提高了校正过程的效率，避免了大量的人工干预。



图6  塔式光热电站系统架构

塔式太阳能热发电系统的软件可以分为多个类别，包括高精度校正系统软件、监控系统软件、云检测软件、仿真培训软件和运营优化平台软件。这些软件的功能包括镜场管理、能量管理、气象监控与预测、操作培训、运行优化和性能分析。当前的系统在精度方面已经实现了1.65mrad，满足了面积达到300万平方米的镜场需求。每天可以校准5000台的定日镜，其对定日镜利用率的影响在1%以内。

图7展示了监控软件不同的镜子状态。吸热器在光热发电中扮演着核心角色，它需要在高温、高热应力和温度迅速变化的情况下确保安全，并提高吸热器的吸热效率，减少能量和光线的浪费。目前存在大约15%的能量和光线浪费，主要是由多雨的天气引起的。每天太阳落山时，可能会发生各种意外情况，最常见的情况是管道堵塞，因为目前的管道相对较细，大约只有2厘米不到，太阳落山时能量密度较低，熔盐的粘度较大，而温度较低，这使得一小部分盐可能会进入吸热管道内，在第二天的预热过程中会导致堵塞。监控软件可以自动识别管道堵塞的位置，然后自动地进行化盐的处理，逐渐提高能量效率，减少对发电量的影响。



图7  监控系统软件

云预测系统在多云天气下提高发电量方面发挥着非常重要的作用，没有云预测系统，即使使用出色的软件也无济于事。此外，还有仿真培训系统，用于培训操作员。运营优化平台软件包括运营分析功能、设备诊断功能和操作考核功能。操作员的运行水平与发电量之间存在着很大的关联，因此需要一种有效的考核软件来评估他们每天的运行表现，三种软件的可视化界面如图8所示。



图8  云预测、仿真、运营软件

四、应用情况介绍

图9展示了中国首批光热发电示范项目——青海中控德令哈50MW项目，这个项目于2016年启动，2018年按计划成功并网发电。到目前为止，它是全球新一代光热发电技术路线中的第一个，也是唯一一个达到了设计要求的项目。在2020年2月新冠疫情最严重时，它连续13天不停机发电，表现出其在应对挑战方面的卓越能力。



图9  青海中控德令哈50MW项目现场

相对于光伏技术，虽然可胜技术在光热发电领域发展较晚，存在一些技术尚不成熟的问题，但目前已成为全球唯一一家业绩超过1GW的第二代光热发电技术提供商，总装机容量已经达到1.26GW。此外，中标率也非常可观，上半年超过70%，年均达到60%左右，如图10所示，这显示了光热发电在市场的受欢迎程度。



图10  项目业绩

光热发电技术对于建设高比例的可再生能源电力系统、确保电网的安全和稳定运行具有重要意义，而塔式太阳能发电技术凭借其高效率和良好的经济性被认为是最有前景的光热发电技术。在这一领域中，控制系统扮演着核心角色，可胜技术研发的新一代光热发电控制软件系统已成功应用于多个项目，能够实现大规模定日镜场的集群控制，确保电站的稳定运行，同时提高电站的发电效率。这一系统为构建新型电力系统和实现“双碳”目标提供了关键支持，有望推动清洁能源的发展和碳减排目标的实现。

*本文根据作者在2023国家工业软件大会上所作报告速记整理而成