林克曼，王召珩，吳 峰，王欣蕊，王璨珉，林明耀

（1. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；2. 東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

0 引言

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要途徑，近年來我國(guó)大力發(fā)展可再生能源發(fā)電，以風(fēng)光為代表的非化石能源逐步成為一次能源供應(yīng)的主體［1］。隨著技術(shù)日益成熟與成本不斷降低，我國(guó)太陽能發(fā)電裝機(jī)容量持續(xù)快速增長(zhǎng)，光伏與光熱發(fā)電已呈規(guī)?；_發(fā)與并網(wǎng)態(tài)勢(shì)。光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電（PV-CSP）系統(tǒng)將能效高的光伏發(fā)電與大規(guī)模存儲(chǔ)能量、低損耗時(shí)移的光熱發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，充分利用光伏發(fā)電成本低、技術(shù)成熟以及光熱發(fā)電高效儲(chǔ)存與釋放能量的優(yōu)勢(shì)，降低可再生能源時(shí)變性和隨機(jī)波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的沖擊，是應(yīng)對(duì)高比例可再生能源接入、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的有效途徑之一［2-3］。

光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)由光伏子系統(tǒng)和光熱子系統(tǒng)組成，其中光熱子系統(tǒng)中光、熱分布規(guī)律復(fù)雜，能量交換過程具有強(qiáng)非線性，系統(tǒng)變量多且具有復(fù)雜的多能耦合關(guān)系，造成模型階數(shù)高、參數(shù)多且準(zhǔn)確辨識(shí)困難［4-5］。國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者針對(duì)這一問題開展了大量研究［6-12］。文獻(xiàn)［6］在考慮發(fā)電機(jī)狀態(tài)變量平均值和損失的基礎(chǔ)上，建立了無儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)的碟形光熱電站動(dòng)態(tài)模型。文獻(xiàn)［7］針對(duì)多能流混合系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性與設(shè)備控制性能的顯著差異，采用混合分辨率建模方法，建立了描述能流動(dòng)態(tài)過程的多時(shí)間尺度模型。文獻(xiàn)［8-9］建立了基于分布參數(shù)的光熱發(fā)電系統(tǒng)的光-熱能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)模型，并對(duì)其換熱過程的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)［10］建立了光熱電站儲(chǔ)熱和換熱環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)模型，對(duì)蓄熱／放熱模式下光熱電站動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［11］基于多段集總參數(shù)法建立了圓柱型熔鹽集熱器模型，針對(duì)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)［12］考慮了介質(zhì)傳熱和換熱過程中的相變，提出了一種光熱發(fā)電系統(tǒng)分布式狀態(tài)空間模型?，F(xiàn)有模型大多聚焦單一能量轉(zhuǎn)換過程，模型變量耦合緊密，需要通過多個(gè)高階微分方程迭代求解或?qū)I(yè)軟件仿真，計(jì)算量大且不支持與電力系統(tǒng)仿真軟件交互。如何對(duì)多能量轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行合理近似和等效，建立可嵌入多種電網(wǎng)模型中仿真的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型亟待研究。

根據(jù)電網(wǎng)功率指令，光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可運(yùn)行于不同控制模式下，儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)的狀態(tài)直接影響系統(tǒng)可調(diào)裕度。因此，如何考慮系統(tǒng)儲(chǔ)能狀態(tài)對(duì)其功率調(diào)節(jié)能力的影響，協(xié)同光伏與光熱子系統(tǒng)有效跟蹤電網(wǎng)功率指令，是聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)參與電網(wǎng)運(yùn)行控制的關(guān)鍵問題之一。充分利用光熱發(fā)電系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力，與可再生能源發(fā)電互補(bǔ)運(yùn)行，共同支撐電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定，是目前多能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)主流的并網(wǎng)運(yùn)行方式［13-15］。文獻(xiàn)［16］構(gòu)建了光伏發(fā)電系統(tǒng)的分層控制架構(gòu)，在不同控制模式下調(diào)節(jié)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率支撐電網(wǎng)頻率。文獻(xiàn)［17］提出了一種太陽能熱發(fā)電與燃?xì)廨啓C(jī)組成的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)慣性功率補(bǔ)償優(yōu)化控制方法，提升了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能與魯棒性。文獻(xiàn)［18］提出了一種光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)多模式下協(xié)調(diào)運(yùn)行控制策略，平抑系統(tǒng)功率波動(dòng)并實(shí)現(xiàn)源／網(wǎng)／荷／儲(chǔ)能量合理分配。由于一天中太陽輻射強(qiáng)度隨著晝夜更替和天氣變化持續(xù)變化，特別是云層遮擋等非正常瞬態(tài)氣象條件，引起聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池輸出電流和光熱子系統(tǒng)集熱器表面熱流密度均呈現(xiàn)階躍擾動(dòng)的非連續(xù)性變化特點(diǎn)，這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制策略直接影響系統(tǒng)安全和運(yùn)行效率［19-20］。文獻(xiàn)［20］提出了一種基于變溫控制方法的光熱發(fā)電系統(tǒng)功率控制方法。文獻(xiàn)［21］基于dq解耦控制方法，提出了調(diào)制量補(bǔ)充控制策略，以應(yīng)對(duì)光伏陣列光照強(qiáng)度差異帶來的功率不平衡問題。然而，這些方法未考慮光照波動(dòng)時(shí)光伏與光熱子系統(tǒng)的互補(bǔ)和響應(yīng)特性差異，以及儲(chǔ)能狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的影響。如何基于以上2 點(diǎn)提出聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)控制策略，通過控制系統(tǒng)各關(guān)鍵部件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)功率指令的有效跟蹤，仍需進(jìn)一步深入研究。

本文建立光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型并提出考慮系統(tǒng)儲(chǔ)能狀態(tài)的功率協(xié)調(diào)控制策略。首先，采用模塊化建模方法將聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)分解為多個(gè)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，建立光-電、光-熱和熱-電能量環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換以及儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)機(jī)理模型，以介質(zhì)流量為中間變量連接各模塊。通過儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)連接光熱子系統(tǒng)的光-熱和熱-電能量轉(zhuǎn)換過程，準(zhǔn)確描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和儲(chǔ)能狀態(tài)。然后，構(gòu)建分層控制架構(gòu)，上層協(xié)調(diào)控制層在功率跟蹤模式和波動(dòng)平抑模式下協(xié)同光伏與光熱子系統(tǒng)，共同響應(yīng)電網(wǎng)功率指令變化；下層子系統(tǒng)控制層執(zhí)行上層控制層命令，并保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，提高聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)指令的響應(yīng)性能和運(yùn)行效率。最后，基于MATLAB／Simulink軟件搭建光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，通過仿真驗(yàn)證模型的正確性和所提功率協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

1 光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型

1.1 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)由光伏和光熱子系統(tǒng)組成，如圖1 所示。光伏子系統(tǒng)由光伏陣列、逆變器及并網(wǎng)環(huán)節(jié)構(gòu)成，其中光伏陣列以光伏電池為基本組成單元，串并聯(lián)后通過逆變器實(shí)現(xiàn)交直流變換。光熱子系統(tǒng)由聚光集熱、儲(chǔ)熱和發(fā)電環(huán)節(jié)三部分構(gòu)成，通過光-熱和熱-電能量轉(zhuǎn)換過程將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。聚光集熱環(huán)節(jié)中，鏡場(chǎng)中的定日鏡將太陽光聚焦到集熱器表面，加熱其中的傳熱介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)光-熱能量轉(zhuǎn)換。儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)根據(jù)電網(wǎng)功率指令蓄熱／放熱。發(fā)電環(huán)節(jié)中，熱熔鹽泵推動(dòng)高溫介質(zhì)流入換熱器，產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功，實(shí)現(xiàn)熱-電能量轉(zhuǎn)換。選取穩(wěn)定性好、比熱容大、低腐蝕性的熔融鹽作為光熱子系統(tǒng)傳熱介質(zhì)，并采用雙罐直接儲(chǔ)熱方式，即換熱與儲(chǔ)熱均采用熔融鹽作為傳熱介質(zhì)。已建成的塔式光熱商業(yè)電站如美國(guó)Crescent Dunes 電站、西班牙Solar Tres 電站等大多采用這種方式，以避免二次換熱過程中的能量損失［3，22］。

圖1 光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hybrid PV-CSP system structure

1.2 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型

本文采用機(jī)理建模方法，基于聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的原理和結(jié)構(gòu)，對(duì)光伏和光熱子系統(tǒng)中各個(gè)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)分別進(jìn)行建模。

1.2.1 光伏子系統(tǒng)模型

光伏子系統(tǒng)光-電能量轉(zhuǎn)換的核心單元為光伏電池。定義開路狀態(tài)下，光伏電池電流為0，電壓為開路電壓Uoc。光伏電池運(yùn)行于最大功率點(diǎn)時(shí)，電壓和電流分別為Um和Im，其模型如下：

式中：U為光伏電池輸出電壓，單位為V；I為光伏電池輸出電流，Isc為光伏電池短路電流，單位均為A?；诠庹諒?qiáng)度和溫度變化對(duì)Isc、Uoc、Um和Im進(jìn)行修正。

1.2.2 光熱子系統(tǒng)模型

光熱子系統(tǒng)光-熱能量轉(zhuǎn)換通過聚光集熱環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，假設(shè)定日鏡控制系統(tǒng)可精確追蹤太陽高度和方位角，鏡場(chǎng)反射的太陽輻射能量Qinc（單位為J）如下：

式中：Ahf為鏡場(chǎng)中定日鏡面積，單位為m2；Ibn為入射至定日鏡的平均輻射強(qiáng)度，單位為W／m2；ηhf為鏡場(chǎng)效率。

光熱子系統(tǒng)核心元件為集熱器，由多個(gè)管束板拼接而成，每個(gè)管束板中并聯(lián)多個(gè)吸熱管。傳熱介質(zhì)按設(shè)計(jì)路徑一次流過各個(gè)管束板，吸收鏡場(chǎng)反射到集熱器表面的熱量。將吸熱管分為多段長(zhǎng)度相等的管道微元，進(jìn)行如下假設(shè)：傳熱介質(zhì)僅沿吸熱管徑向流動(dòng)；吸熱管的吸熱面為半圓柱面，且受熱均勻；單一管道微元的管壁表面溫度一致且管內(nèi)介質(zhì)溫度一致，管束板中每根吸熱管內(nèi)介質(zhì)流量相同。根據(jù)能量、質(zhì)量和熱力學(xué)方程，構(gòu)建吸熱管的管道微元模型如下：

式中：Mm為管道微元質(zhì)量，單位為kg；Cm為吸熱管壁比熱容，Cˉs為平均比熱容，Cs_i和Cs_o分別為流入和流出管道微元的傳熱介質(zhì)比熱容，單位均為J／（kg·K）；Tm為管壁溫度，Ts為管道微元內(nèi)的介質(zhì)平均溫度，Tin和Tout分別為流入和流出管道微元的傳熱介質(zhì)溫度，單位均為K；Qa為管壁吸收的熱量，Qloss為熱損失，主要由集熱器的對(duì)流、輻射和反射熱損失組成，Qtra為傳熱介質(zhì)吸收的熱量，單位均為J；h為換熱系數(shù)；Am為換熱面積，單位為m2；ms_in和ms_out分別為流入和流出管道微元的介質(zhì)流量，單位為m3／s；ρˉs為傳熱介質(zhì)平均密度，單位為kg／m3；Vs為管道微元體積，單位為m3。將方程式（4）—（7）線性化，經(jīng)過迭代計(jì)算得到管道微元表面溫度、管道微元出口介質(zhì)溫度和管道微元出口介質(zhì)流量。

儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)解耦了光熱子系統(tǒng)的光-熱和熱-機(jī)械能量轉(zhuǎn)換過程，并緩解了太陽輻射強(qiáng)度突變對(duì)光熱子系統(tǒng)出力的影響。通過配置儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)，光熱子系統(tǒng)的輸出功率不受限于當(dāng)前時(shí)刻太陽輻射強(qiáng)度，可根據(jù)電網(wǎng)需求調(diào)節(jié)。聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能狀態(tài)直接影響系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)范圍和可調(diào)裕度，定義聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能狀態(tài)變量SSOE描述當(dāng)前時(shí)刻聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)存能量：

式中：min和mout分別為流入和流出儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)的傳熱介質(zhì)流量，單位為kg／s；M0為初始傳熱介質(zhì)質(zhì)量，單位為kg；Mref為罐體容量，單位為kg。當(dāng)min>mout時(shí)，儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)處于蓄熱狀態(tài)，儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)中的高溫介質(zhì)質(zhì)量減少，SSOE減少；當(dāng)min

光熱子系統(tǒng)通過發(fā)電環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)熱-電能量轉(zhuǎn)換，該環(huán)節(jié)主要由管式換熱器、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)三部分構(gòu)成。汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)均已有成熟模型，本文僅對(duì)換熱器進(jìn)行建模。光熱子系統(tǒng)通常裝備管式換熱器，由預(yù)熱段、蒸發(fā)段和過熱段組成，高溫介質(zhì)流入換熱器與水進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將熱能轉(zhuǎn)換為電能。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，光熱子系統(tǒng)的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)通常工作在額定工作點(diǎn)附近，采用集總參數(shù)法建立換熱器模型如下：

式中：s1和s2為集總參數(shù)變量；ρm為換熱器中汽水混合物密度，單位為kg／m3；hs和hfw分別為蒸汽和水的焓值；vt為給水流速，單位為m／s；ca為換熱器管壁比熱容，單位為J／（kg·K）；M為換熱器質(zhì)量，單位為kg；T為換熱器管壁溫度，單位為K；hm為汽水分離器前的汽水混合物焓值；Ds和Dfw分別為蒸汽和水的流量，單位為m3／s；Q為換熱過程中水吸收的熱量，單位為J。

選取壓強(qiáng)pm和焓值為狀態(tài)變量，描述包含介質(zhì)相變的熱交換過程如下：

2 光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制

2.1 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)分層控制架構(gòu)

光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)控制目標(biāo)為快速跟蹤電網(wǎng)指令，同時(shí)保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是一個(gè)多能源（光、熱、電）耦合和多時(shí)間尺度（毫秒級(jí)、秒級(jí)、分鐘級(jí)）系統(tǒng)，其中光熱子系統(tǒng)中光-熱能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)（鏡場(chǎng)和集熱器）、儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)、發(fā)電環(huán)節(jié)中換熱器時(shí)間尺度為分鐘級(jí)，汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)為秒級(jí)；光伏子系統(tǒng)中，光伏電池時(shí)間尺度為秒級(jí)，并網(wǎng)逆變器為毫秒級(jí)。

本文構(gòu)建聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)分層控制架構(gòu)，包含上層協(xié)調(diào)控制層和下層子系統(tǒng)控制層，如圖2 所示。電網(wǎng)功率指令或太陽輻射強(qiáng)度變化時(shí)，上層協(xié)調(diào)控制層在功率跟蹤模式和波動(dòng)平抑模式下協(xié)同光伏與光熱子系統(tǒng)，共同響應(yīng)電網(wǎng)功率指令變化；下層子系統(tǒng)控制層保證集熱器出口介質(zhì)溫度、換熱器和汽輪機(jī)主蒸汽壓力、光伏電池輸出電壓等系統(tǒng)變量維持穩(wěn)定，從而保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，并提高聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)指令的響應(yīng)性能。

圖2 光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)分層控制架構(gòu)Fig.2 Hierarchical control structure of hybrid PV-CSP system

2.2 調(diào)節(jié)裕度分析

光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能狀態(tài)直接影響其輸出功率和調(diào)節(jié)裕度，定義SSOEh和SSOEl分別為儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)正常運(yùn)行的上、下邊界，根據(jù)SSOE將系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)域分為過充警戒區(qū)（SSOE∈（SSOEh，1］）、正常工作區(qū)（SSOE∈［SSOEl，SSOEh］）和過放警戒區(qū)（SSOE∈［0，SSOEl）），如附錄A圖A1所示。當(dāng)SSOE>SSOEh時(shí)，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)處于過充警戒區(qū)，儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)過飽和，需修正光熱子系統(tǒng)輸出功率下限，避免儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)過充；當(dāng)SSOE

2.2.1 正常工作區(qū)

2.2.2 過充警戒區(qū)2.2.3 過放警戒區(qū)

為了避免光熱子系統(tǒng)機(jī)組頻繁啟停，光熱子系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)下，本文設(shè)定SSOE>0.3時(shí)，汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)重新啟動(dòng)。

2.3 上層協(xié)調(diào)控制

光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)控制模式包括功率跟蹤模式和波動(dòng)平抑模式。聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)控制模式切換判據(jù)為光伏子系統(tǒng)輸出功率PPV波動(dòng)ΔPPV是否符合光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率限制要求［24］。若連續(xù)一段時(shí)間光伏子系統(tǒng)功率波動(dòng)大小均超出限制要求，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)將從功率跟蹤模式切換至波動(dòng)平抑模式，每個(gè)時(shí)刻均對(duì)光熱子系統(tǒng)輸出功率參考值進(jìn)行調(diào)整，通過光熱子系統(tǒng)平抑光伏子系統(tǒng)功率波動(dòng)同時(shí)跟蹤電網(wǎng)指令；否則系統(tǒng)運(yùn)行于功率跟蹤模式，光熱與光伏子系統(tǒng)共同跟蹤電網(wǎng)功率指令。

2.3.1 功率跟蹤模式

2.3.2 波動(dòng)平抑模式

本文根據(jù)太陽輻射強(qiáng)度波動(dòng)范圍和持續(xù)時(shí)間，判斷聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行模式，同時(shí)考慮系統(tǒng)儲(chǔ)能狀態(tài)SSOE，提出光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)光伏和光熱子系統(tǒng)互補(bǔ)協(xié)同，具體控制策略流程如附錄A圖A2所示，實(shí)施步驟如下。

1）上層控制層獲取聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算MPPT 模式下光伏子系統(tǒng)的功率預(yù)測(cè)值和此時(shí)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可調(diào)裕度。

3）波動(dòng)平抑模式下，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)每分鐘根據(jù)光伏子系統(tǒng)功率波動(dòng)，調(diào)整光熱子系統(tǒng)輸出功率；功率跟蹤模式下，根據(jù)系統(tǒng)儲(chǔ)能狀態(tài)SSOE求取光熱子系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)裕度，如果光熱子系統(tǒng)輸出功率參考值小于其下限，則光伏子系統(tǒng)切換至限功率模式，共同跟蹤電網(wǎng)功率指令。

4）根據(jù)上層控制層得到的各子系統(tǒng)功率參考信號(hào)，基于光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)分層控制架構(gòu)，得到系統(tǒng)下層控制層相關(guān)指令，包括光伏子系統(tǒng)直流電壓參考值、光熱子系統(tǒng)換熱器介質(zhì)閥門開度參考值和汽輪機(jī)汽門開度參考值等，下發(fā)到各子系統(tǒng)執(zhí)行。

2.4 下層子系統(tǒng)控制

2.4.1 光伏子系統(tǒng)控制

光伏子系統(tǒng)主要由光伏電池陣列、三相電壓源型換流器VSC（Voltage Source Converter）及其控制系統(tǒng)組成。光伏電池陣列在伏打效應(yīng)的作用下，將光能轉(zhuǎn)化為電能并輸出直流電流。VSC 及其控制系統(tǒng)采用dq0 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)控制輸入為直流電壓udref，根據(jù)光伏子系統(tǒng)控制模式（MPPT 或限功 率模式），通過控制環(huán)節(jié)得到內(nèi)環(huán)控制電流參考值Ipdref，并由內(nèi)環(huán)控制對(duì)Ipdref進(jìn)行跟蹤控制。VSC 控制器采用前饋解耦控制策略，將dq0坐標(biāo)系下VSC 機(jī)電暫態(tài)模型的d、q軸電壓和電流解耦，形成2 個(gè)獨(dú)立控制回路，換流器模型及其控制器結(jié)構(gòu)如附錄A圖A3所示，具體可詳見文獻(xiàn)［25］。

2.4.2 光熱子系統(tǒng)控制

光熱子系統(tǒng)通過儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)光-熱和熱-電能量轉(zhuǎn)換過程的解耦，其控制系統(tǒng)主要由定日鏡跟蹤控制器、集熱器控制器、儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)控制器和發(fā)電環(huán)節(jié)控制器組成。定日鏡控制器同時(shí)跟蹤太陽高度和方位角，調(diào)整定日鏡角度，將太陽光準(zhǔn)確聚焦到集熱器表面。集熱器控制器根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻接收的太陽輻射能量，通過控制流入集熱器的介質(zhì)流量維持流出集熱器的熱熔鹽溫度恒定，保證光熱子系統(tǒng)高效安全運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光熱子系統(tǒng)集熱器控制框圖Fig.3 Block diagram of receiver control in CSP subsystem

集熱器控制器的輸入信號(hào)為平均太陽輻射強(qiáng)度Ibn、集熱器入口介質(zhì)溫度Tin和出口介質(zhì)溫度Tout，輸出信號(hào)為傳熱介質(zhì)閥門開度μm。集熱器控制器引入“Cloud Standby”，延長(zhǎng)集熱器在多云天氣下連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)延長(zhǎng)裝置使用壽命。太陽輻射波動(dòng)大于集熱器承受極限時(shí)，啟動(dòng)“Cloud Standby”模塊，調(diào)整定日鏡角度，同時(shí)增大集熱器入口介質(zhì)流量，并切換集熱器出口介質(zhì)流入儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)冷罐，避免因集熱器表面熱流密度劇烈波動(dòng)造成的損壞。引入可變控制增益α，通過減小傳熱介質(zhì)流量條件下的增益，避免集熱器因局部過熱造成損壞：

式中：KSC為控制增益；η增益系數(shù)；m為當(dāng)前時(shí)刻集熱器輸出介質(zhì)流量；mmin和mmax分別為集熱器最小和最大輸出介質(zhì)流量；ml為控制增益切換門檻值。

儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)控制器在蓄熱／放熱模式下，控制熔鹽泵調(diào)節(jié)傳熱介質(zhì)進(jìn)出熔鹽罐的流量。發(fā)電環(huán)節(jié)控制器協(xié)調(diào)光熱子系統(tǒng)的換熱器、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)調(diào)整子系統(tǒng)輸出功率，控制器由主蒸汽和介質(zhì)流量控制回路組成，通過調(diào)節(jié)熱熔鹽閥門和汽門開度調(diào)整機(jī)組出力，實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷指令［19］。

3 仿真分析

3.1 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型驗(yàn)證

本文基于MATLAB／Simulink 軟件，搭建光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，與TRNSYS 仿真軟件結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證所建模型的正確性。本文以美國(guó)Solar Two 光熱電站為例，選取與該光熱電站氣候條件近似的我國(guó)西北某地太陽輻射實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)光熱系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證［22，26］。聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中光伏與光熱子系統(tǒng)額定裝機(jī)容量均為120 MW，儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)容量為6 FLHs（Full-load Hours），即儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)儲(chǔ)滿情況下可使發(fā)電環(huán)節(jié)在額定功率下運(yùn)行6 h，設(shè)定SSOE運(yùn)行范圍為［0.1，0.9］，初始值為0.2。

在MATLAB／Simulink 和TRNSYS 軟件中分別搭建光熱發(fā)電系統(tǒng)模型，基于不同典型場(chǎng)景的太陽輻射強(qiáng)度對(duì)光熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真。光熱發(fā)電系統(tǒng)從09:00 開始發(fā)電，功率恒定為100 MW，設(shè)定SSOE<0.4時(shí)停止發(fā)電。圖4（a）、（b）分別為晴朗天氣和多云天氣下的太陽輻射強(qiáng)度和光熱發(fā)電系統(tǒng)SSOE。從圖中可以看出，2 種典型場(chǎng)景下，本文所建光熱發(fā)電系統(tǒng)模型與TRNSYS 軟件中的精確模型仿真波形基本吻合，兩者SSOE最大誤差約為1.4%，驗(yàn)證了所建模型的有效性。

圖4 基于MATLAB／Simulink和TRNSYS軟件的仿真結(jié)果Fig.4 Simulative results based on MATLAB／Simulink and TRNSYS software

3.2 多模式下聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真

3.2.1 算例1：功率跟蹤模式

設(shè)定電網(wǎng)功率指令每5 min更新一次，光伏子系統(tǒng)并網(wǎng)要求為1 min功率波動(dòng)小于裝機(jī)容量的10%。若預(yù)測(cè)連續(xù)3 min超過波動(dòng)限制，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)將切換到波動(dòng)平抑模式，否則運(yùn)行于功率跟蹤模式。圖5 為晴朗天氣下的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)太陽輻射強(qiáng)度以及協(xié)調(diào)／無協(xié)調(diào)控制策略下的有功功率波形。由于太陽輻射強(qiáng)度波動(dòng)較小，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)初始運(yùn)行于功率跟蹤模式，SSOE處于正常工作區(qū)，光伏子系統(tǒng)運(yùn)行于MPPT模式。電網(wǎng)初始功率指令為148 MW，5 min后增長(zhǎng)至154 MW，這一階段優(yōu)先調(diào)節(jié)光熱子系統(tǒng)輸出功率滿足電網(wǎng)需求，采用協(xié)調(diào)與無協(xié)調(diào)控制策略均能較好地跟蹤電網(wǎng)功率指令。

圖5 功率跟蹤模式下光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.5 Simulative results of hybrid PV-CSP system under power tracking mode

由圖5 可知，當(dāng)t=10 min 時(shí)，電網(wǎng)功率指令下降為142 MW，由于太陽輻射較強(qiáng)，SSOE持續(xù)上升，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)變?yōu)樘幱谶^充警戒區(qū)，光熱子系統(tǒng)輸出功率減小至其下限，不具備繼續(xù)向下調(diào)節(jié)的能力。協(xié)調(diào)控制策略下，光伏子系統(tǒng)切換到定功率控制模式，光伏與光熱子系統(tǒng)均輸出恒定功率，快速跟蹤電網(wǎng)功率指令；無協(xié)調(diào)控制策略下，光伏子系統(tǒng)仍運(yùn)行于MPPT 模式，其輸出功率受太陽輻射強(qiáng)度波動(dòng)影響，同時(shí)光熱子系統(tǒng)輸出功率不可調(diào)節(jié)，造成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)輸出功率與電網(wǎng)功率指令產(chǎn)生較大偏差。

3.2.2 算例2：波動(dòng)平抑模式

圖6 為多云天氣下的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)太陽輻射強(qiáng)度以及協(xié)調(diào)／無協(xié)調(diào)控制策略下有功功率波形。電網(wǎng)功率指令為160 MW，仿真過程中保持不變。該算例模擬了太陽從被云層遮擋到移除過程中輻射強(qiáng)度大幅波動(dòng)場(chǎng)景，從而對(duì)不同控制策略下聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真分析。

圖6 波動(dòng)平抑模式下光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig6 Simulative results of hybrid PV-CSP system under fluctuation suppressing mode

由圖6 可知，當(dāng)太陽遇到云層遮擋時(shí)，太陽輻射強(qiáng)度緩慢減小，待云層逐漸飄過后，輻射強(qiáng)度逐漸恢復(fù)。此過程中，光伏子系統(tǒng)輸出功率發(fā)生劇烈變化。為了使聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)輸出功率符合并網(wǎng)要求，系統(tǒng)切換至波動(dòng)平抑模式，通過持續(xù)調(diào)節(jié)光熱子系統(tǒng)出力，平抑光伏子系統(tǒng)功率波動(dòng)并跟蹤電網(wǎng)功率指令。當(dāng)t=4 min 時(shí)，太陽輻射強(qiáng)度劇烈波動(dòng)，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)切換至波動(dòng)平抑模式。協(xié)調(diào)控制策略下，基于上層功率協(xié)調(diào)控制，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)每分鐘根據(jù)光伏子系統(tǒng)功率波動(dòng)調(diào)整光熱子系統(tǒng)輸出功率。由于光熱子系統(tǒng)具有延時(shí)，協(xié)調(diào)控制策略下聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)輸出功率與電網(wǎng)指令偏差在t=7 min 時(shí)達(dá)到最大值3 MW，仍然符合并網(wǎng)要求。無協(xié)調(diào)控制策略下，光熱子系統(tǒng)響應(yīng)滯后于太陽輻射強(qiáng)度波動(dòng)，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)輸出功率與電網(wǎng)指令偏差最大值為11 MW。采用本文提出的功率協(xié)調(diào)控制策略，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)分層控制架構(gòu)可以通過上層控制層，快速調(diào)節(jié)光熱子系統(tǒng)功率參考值，實(shí)現(xiàn)光伏和光熱子系統(tǒng)互補(bǔ)協(xié)同，對(duì)因太陽輻射強(qiáng)度波動(dòng)引起的光伏子系統(tǒng)功率波動(dòng)具有較好的平抑效果。

4 結(jié)論

本文建立了光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，可準(zhǔn)確描述其并網(wǎng)運(yùn)行的多變量耦合和多時(shí)間尺度特征。構(gòu)建了分層控制架構(gòu)并提出了一種考慮系統(tǒng)儲(chǔ)能狀態(tài)的功率協(xié)調(diào)控制策略，在功率跟蹤模式和波動(dòng)平抑模式下均能提升系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)能力和響應(yīng)性能。在MATLAB／Simulink 軟件中搭建了聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型，與TRNSYS 仿真結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了所建模型的正確性。結(jié)果表明，所提出的控制策略在不同工況和控制模式下均能實(shí)現(xiàn)光熱與光伏子系統(tǒng)互補(bǔ)協(xié)同并能快速跟蹤電網(wǎng)功率指令，驗(yàn)證了所提控制策略的可行性和有效性。

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