太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的前饋廣義預(yù)測(cè)控制

2016-03-18 01:04:16Applicationresearchofmodelpredictivecontrolbasedonfeedforwardcompensationinsolarthermalpowergenerationheatcollectingsystem

制造業(yè)自動(dòng)化 2016年1期

Application research of model predictive control based on feedforward compensation in solar thermal power generation heat collecting system

路小娟，董海鷹

LU Xiao-juan, DONG Hai-ying

（蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070）

太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的前饋廣義預(yù)測(cè)控制

Application research of model predictive control based on feedforward compensation in solar thermal power generation heat collecting system

路小娟，董海鷹

LU Xiao-juan, DONG Hai-ying

（蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070）

摘要：針對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的強(qiáng)干擾性和不確定性的特點(diǎn)，結(jié)合前饋控制對(duì)大擾動(dòng)信號(hào)的補(bǔ)償作用和模型預(yù)測(cè)控制對(duì)隨機(jī)系統(tǒng)具有良好魯棒性的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種基于前饋補(bǔ)償?shù)哪Ｐ皖A(yù)測(cè)控制方法。首先，忽略傳熱過(guò)程熱損，建立太陽(yáng)能熱發(fā)電集熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，作為控制器設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)模型；其次，考慮可測(cè)的太陽(yáng)能輻射為隨機(jī)強(qiáng)干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償器；第三，在滾動(dòng)優(yōu)化過(guò)程中用梯度尋優(yōu)算法獲得最優(yōu)控制量；最后設(shè)計(jì)反饋校正用于補(bǔ)償模型預(yù)測(cè)誤差和其他小擾動(dòng)引起的誤差。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比，模型預(yù)測(cè)控制能有效減小小擾動(dòng)信號(hào)，通過(guò)前饋模型預(yù)測(cè)控制對(duì)隨機(jī)強(qiáng)擾動(dòng)信號(hào)具有良好的抑制作用，提高了系統(tǒng)的控制精度。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱發(fā)電；前饋控制；預(yù)測(cè)控制；線性菲涅爾

0 引言

在我國(guó)西北地區(qū)太陽(yáng)能豐富，利用線性菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)具有緊湊型排列，風(fēng)阻較小，抗風(fēng)能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)[1]。大力發(fā)展太陽(yáng)能熱發(fā)電是推動(dòng)新能源消費(fèi)的重要組成部分。

聚光集熱子統(tǒng)統(tǒng)是線性菲涅爾熱發(fā)電系統(tǒng)的核心，為保證太陽(yáng)能太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的平穩(wěn)性，必須使得集熱器的出口油溫能控制在一定的變化范圍內(nèi)。近年來(lái)，以減少集熱系統(tǒng)出口油溫的跟蹤誤差為控制目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題做了大量的研究工作：文獻(xiàn)[2]通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油的流量來(lái)控制集熱器的出口油溫，設(shè)計(jì)了魯棒非線性模型預(yù)測(cè)控制器；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了模型預(yù)測(cè)控制器加補(bǔ)償裝置對(duì)系統(tǒng)的滯后起到了一定的補(bǔ)償作用；文獻(xiàn)[4]使用卡爾曼濾波器估計(jì)太陽(yáng)輻射和熱傳遞過(guò)程中的熱損設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模型預(yù)測(cè)控制明顯改善了集熱器出口油溫的控制效果；文獻(xiàn)[5]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立集熱系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型，設(shè)計(jì)了預(yù)測(cè)控制器；為抑制太陽(yáng)輻射的隨機(jī)變化對(duì)系統(tǒng)出口油溫控制精度的影響，前饋PID控制算法也得到了應(yīng)用[6]。模型預(yù)測(cè)控制對(duì)不確定的系統(tǒng)控制比傳統(tǒng)的PID有一定優(yōu)勢(shì)[2～6]，但在系統(tǒng)受到的強(qiáng)干擾信號(hào)時(shí)，模型預(yù)測(cè)控制效果并不好，基于以上分析，本文提出了前饋加模型預(yù)測(cè)控制（feedforward model predictive control，F(xiàn)FMPC）策略，對(duì)已經(jīng)建成的菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用模型預(yù)測(cè)控制（model predictive control，MPC）的強(qiáng)魯棒性和前饋控制對(duì)可測(cè)擾動(dòng)信號(hào)的補(bǔ)償作用，能明顯減少系統(tǒng)輸出的跟蹤誤差。

1 太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)利用太陽(yáng)輻射不斷加熱循環(huán)流動(dòng)的導(dǎo)熱油，調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油的流量控制集熱器的出口溫度，利用加熱后的導(dǎo)熱油加熱水產(chǎn)生高溫蒸汽帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。1985年西班牙學(xué)者Carmona, R.在博士論文中[7]最初使用數(shù)學(xué)模型用式(1)來(lái)描述太陽(yáng)能集熱場(chǎng)熱量變化，后在文獻(xiàn)[4,6]都引用了該模型對(duì)集熱系統(tǒng)進(jìn)行分析仿真。

集熱油管分為若干個(gè)小的分段Δx，則式(1)可以表示為式(2)：

式中：t表示時(shí)間，s；Δx為集熱油管分段，m；ρf為工質(zhì)密度，kg/m3；Cf為比熱容，J/(kg·℃)；Af為管道橫截面積，m；u(t)導(dǎo)熱油流量，m3/s；I(t)太陽(yáng)福強(qiáng)度，W/m2；η0鏡子光學(xué)效率；G1反射鏡的光學(xué)孔徑，m；Tn為對(duì)應(yīng)油管道出口導(dǎo)熱油溫度，℃；Tn-1對(duì)應(yīng)油管道入口導(dǎo)熱油溫度，℃；

取Vx= L，則式(2)變?yōu)椋?/p>

其中，u(t)為輸入，y(t)為輸出，I(t)為擾動(dòng)，則公式(4)變?yōu)椋?/p>

其中，u( k )= u ( k? 1)+?u ( k )。

2 前饋加模型預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)

2.1 前饋補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

前饋加模型預(yù)測(cè)控制器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖中，D(z)表示模型預(yù)測(cè)控制器，G(z)表示不包含太陽(yáng)輻射的集熱場(chǎng)模型，I(k)太陽(yáng)能輻射，Df(z)表示前饋補(bǔ)償器，y1(k)為太陽(yáng)輻射對(duì)系統(tǒng)的輸出部分，y2(k)為前饋補(bǔ)償引起的輸出，yr(k)為期望的出口油溫，y(k)為未來(lái)的預(yù)測(cè)輸出。