塔式太阳能热发电站能源管理系统的探讨

许粲羚，朱子钦（浙江大学能源工程学院，浙江 杭州 310058）



塔式太阳能热发电站能源管理系统的探讨

许粲羚，朱子钦（浙江大学能源工程学院，浙江 杭州 310058）

摘要：本文介绍了塔式太阳能热发电站的发展现状，论述了塔式太阳能热发电站的主要控制系统组成，提出了能源管理系统的基本构架和管理运行模式，为有效地管理和控制塔式太阳能热发电站提供了可行方案。

关键词：太阳能热发电站；能源管理系统

1　引言

能源和环境是全球经济发展的焦点问题，化石能源短缺，生态环境恶化，促使各国都加大了对可再生能源的开发。相对于风能、潮汐能以及太阳能光伏发电等，太阳能热发电具有发电功率平稳可控、运行方式灵活、热电冷可联供等优点，因此成为了当前世界范围内的开发热点。随着一批太阳能热发电站的建设与运营，如何对太阳能热发电站进行有效管理和控制，合理利用太阳能资源，减少能源浪费，提高太阳能热发电站的运行效率，是一个值得深入研究的新兴课题。太阳能热发电技术可分为塔式、槽式、碟式三种主要类型，本文将以塔式太阳能热发电为例，对能源管理系统的构架和功能进行探讨，并提出设计方案。

2　塔式太阳能热发电系统的发展

2.1塔式太阳能热发电系统的基本形式

塔式太阳能热发电系统是利用多台独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚集到固定在支撑塔上的吸热器中，把太阳辐射能转换成传热工质的热能，再通过热力循环转换成电能。塔式太阳能热发电系统主要由定日镜场、支撑塔、吸热器、储热器、换热器和发电机组等组成。按照传热工质的种类，塔式太阳能热发电主要有水-蒸汽、熔融盐和空气等形式。水-蒸汽塔式太阳能热发电系统的原理如图1所示。

图1　水-蒸汽塔式太阳能热发电系统[1]

塔式太阳能热发电系统具有聚光比高，传热工质能够达到较高的工作温度，热传递路程短，热损失少，易于实现蓄热，系统综合效率高等特点，系统设计参数可与常规火电机组取得一致，使太阳能热电站达到较高的热电转换效率，具有良好的大规模、大容量应用前景。

2.2国外建设情况

从2007年至今，塔式太阳能热发电站逐步实现了商业化运营。其中，西班牙陆续投产了PS10、PS20和Gemasolar，其容量分别为11MW、20MW和20MW。美国陆续投产了Sierra SunTower、Crescent Dunes和Ivanpah项目，其容量分别为5MW、110MW和392MW。

其中，2014年2月投产的世界最大的商业化塔式光热电站—美国Ivanpah塔式太阳能热发电厂总容量达392MW，是全球塔式光热电站的标志性项目。

表1　国外部分已建和在建塔式光热电站

2.3国内建设情况

在国内，塔式太阳能光热发电是最早进行MW级试验项目建设及商业化运行的太阳能热发电形式。在国家863计划的支持下，由中科院电工所牵头建设的八达岭太阳能塔式热发电项目是我国第一个MW级塔式热发电试验项目，该电站于2012年8月成功并网发电。

由浙江中控太阳能技术有限公司投资建设的浙江中控德令哈50MW塔式太阳能热发电项目一期10MW工程，于2013年7月并网发电，投入商业运行。该电站于2014年9月初获得国家发改委电价核准（1.2元/kWh），是我国第一个核准电价的商业化太阳能热发电项目。

表2　国内部分已建成塔式光热电站

表3　国内部分在建及拟建塔式光热电站

3　主要控制系统的分析

塔式太阳能热发电站主要分太阳岛和常规岛两个部分，太阳岛的控制系统是当前研究的重点。目前太阳岛的控制系统主要包括镜场控制系统、吸热控制系统和储热控制系统等，镜场控制系统由于控制对象多而且复杂，是当前研究的难点和关键。镜场控制系统一般将定日镜分成多个组进行控制，每个组再包括多个定日镜，如图2所示。

图2　镜场控制系统

常规岛也称为发电岛，其控制系统与常规火电厂基本一致，主要包括汽机电液控制系统（DEH）、汽机危急遮断系统（ETS）以及辅助控制系统等。

在太阳岛控制系统和常规岛控制系统之间，需要设计一套协调控制系统（CCS），用于统筹两者之间的关系，使得太阳岛的热能输出与常规岛的发电量相对平衡。该系统是塔式太阳能热发电站主控制系统的核心子系统。

目前镜场控制系统基本随镜场成套设计，DEH、ETS基本随汽轮机成套设计，其他控制系统则由主控制系统完成，主控制系统一般采用分散控制系统（DCS），如图3所示。

图3　主控制系统图

4　能源管理系统的研究

4.1设置能源管理系统的意义

太阳能热发电站的主控制系统虽然可以满足电站的正常启停和运行，但目前还存在着一系列问题。比如，由于太阳光照的不确定性，电站的运行稳定性很难得到保证；主控制系统的设计目标是保证电站的运行，如何合理利用太阳能资源有待考虑；太阳能发电、储热与电网需求之间的合理平衡有待优化处理等。

能源管理系统，是工业企业合理计划和利用能源，以降低单位产品能源消耗，提高经济效益，降低排放量为目的的信息化管理系统，该系统已经在国内其它领域取得了明显效果。如何让太阳能热发电站合理利用资源和能源，提高太阳能热发电站的运行效率？研究并设计一套适合太阳能热发电站的能源管理系统将具有非常重要的意义。

4.2能源管理系统的构架

主控制系统可以实现太阳能热发电站的基本控制，但要合理利用资源和能源，提高太阳能热发电站的运行效率，则需要在现有主控制系统的基础上添加一套天气预测系统，在综合分析判断主控制系统信息和天气预测信息的基础上，设计一套能源管理系统，统筹太阳能热发电站的运行模式和切换。

与主控制系统构架不同的是，在能源管理系统的管控结构中，太阳岛的概念将只包括镜场系统和吸热器系统，不包括储热系统。储热系统将单独作为能源管理的独立单元考虑。

能源管理系统是综合协调太阳能热发电、储热与电网需求的管理系统，对于需要长期稳定接入电网的项目，电站还需要配套辅助燃料系统，供长期阴雨天气发电用。能源管理系统的基本构架，如图4所示。

图4　能源管理系统图

4.3能源管理系统的管理模式

能源管理系统以天气预测系统为基本判据，与电网调度进行实时交换信息，根据太阳辐射情况，可以设计四种运行管理模式。

模式一：直接发电并储热。该模式适用于阳光充足的晴天。在天气晴好时，太阳岛和常规岛正常运行，吸热器发出的热量一部分用于发电，一部分进行储热。

模式二：直接发电。该模式适用于阳光较弱的天气，比如晴天的清晨和傍晚、多云天气、雾霾天气等。此时太阳光热全部用来发电，储热系统停止接受热能。

模式三：储能发电。该模式适用于无阳光的天气，比如晚上和阴雨天气等。该模式通过储热系统放出的热能进行发电，此时镜场和吸热系统停止运行，常规岛运转。

模式四：停止运行或辅助燃料发电。该模式适用于连续阴雨天气时间超过最长储热时间，无法发电的情况。此时全部设备都将处于停运状态。对于设置有辅助燃料的电站，如果需要发电，则启动辅助燃料维持发电运行。

以上为太阳能热发电站能源管理系统需要实现的基本运行管理模式，针对电网中不同定位的电站，比如调峰电站，则需要根据电网的指挥实时切换不同的运行模式。

5　结语

太阳能热发电站的研究和建设正处于蓬勃向上的发展时期，将能源管理系统应用于太阳能热发电站具有非常现实的意义。充分发挥好能源管理系统的作用，合理有效地管理和控制电站，使电站在运行周期内发挥最大的效能，是能源管理系统的设计目标。能源管理系统是在主控制系统基础上发展起来的，也是管理和协调主控制系统的上层系统，处理好能源管理系统和主控制系统之间的接口以及相互融合是能源管理系统成功应用的基础。

本文介绍了塔式太阳能热发电站的发展现状，塔式太阳能热发电站的主要控制系统组成，在此基础上提出了能源管理系统的构架和基本管理运行模式，可为太阳能热发电站的建设提供参考。

参考文献：

[1] 中国太阳能热发电产业政策研究报告[R]. 国家太阳能光热产业技术创新战略联盟.

文献标识码：B

文章编号：1003-0492（2016）04-0082-03中图分类号：TK514

作者简介

许粲羚（1995-），女，北京人，本科，现就职于浙江大学能源工程学院热工与动力系统研究所，主要研究方向为新能源发电与能源工程管理。

Discussion on Energy Management System of Tower-type Solar Thermal Power Station

Abstract:This paper introduces the development status of tower-type solar thermal power stations, discusses its main control systems, and proposes the basic framework and management operation modes with providing the feasible scheme to manage and control tower-type solar thermal power stations effectively.

Key words:Solar thermal power station; Energy management system