塔式光熱電站功率預測分析

王曉兵 全明福

摘 要：塔式光熱發電作為一種穩定、綠色的新能源電力產業，太陽能光熱發電成為目前國家重點支持和發展的戰略性新興產業。配備足夠儲熱容量的塔式光熱發電站相較光伏發電和風力發電技術可以平抑外部多變氣象條件擾動，輔以光熱電站功率預測系統等科學的運行模式后，太陽能熱發電站可以實現連續、穩定運行，因此，被看作最有前景的可再生能源利用技術之一。

關鍵詞：塔式、光熱、光功率、預測

前言

在光熱電站運行過程中，由于太陽直射輻射的隨機變化和光熱電站的動態運行狀態，光熱電站的發電功率往往會出現較大波動，甚至停機。如果能夠對太陽直射輻射和光熱電站在未來一段時間內的發電功率進行準確預測，可避免機組負荷的大幅度變化，提高電站出力的穩定性，延長電站設備的運行壽命。

塔式光熱電站功率預測

塔式光熱電站功率預測系統是以獲取氣象監測數據，鏡場運行數據，吸熱器能流密度，儲換熱系統，蒸汽發生系統，汽輪發電機系統等模塊數據，并實現電站短期、超短期和中長期的功率預測及上報，最終滿足電網調度運行的需要，下面就光熱電站功率預測主要模塊及功能做以下分析。

氣象監測與預報模塊：采集當前電站運行所需的關鍵氣象參數，數據來自氣象監測站。氣象參數主要包含：直接輻射、水平總輻射、散射輻射、風速、風向、濕度、氣壓等。將采集的氣象數據各參量分析，通過人工神經網絡算法訓練，預測未來時間段內的氣象輻射度趨勢。

氣象數據預測校正模塊是將氣象監測及預報模塊和氣象預測系統提供的數據進行相關分析，依據鏡場的實時氣象數據、歷史數據的變化率，各輻照度頻率分布等參數，基于神經網絡算法校正氣象變化，得到修正后的天氣預報數據。

歷史氣象數據庫模塊模塊是將氣象儀和氣象預測數據進行存儲，實現對歷史日、月和設定區間的氣象數據進行完整性統計、輻照度頻率分布、氣象參數統計等。

鏡場運行監測模塊：鏡場由液壓驅動部分將定日鏡驅動，根據特有的算法角度跟蹤太陽，將太陽光反射到吸熱器上，是太陽能系統的集熱部件，它的功能是接收到的已聚焦的太陽輻射能量，轉換為熱能。本模塊監測集熱場運行參數，如鏡面旋轉夾角，鏡面工作狀態、集熱器溫度、集熱器壓力等參數。

（1）主反射鏡面輻射能

集熱系統接收到的太陽輻射能Qin為

式中：

I為太陽輻射強度;

A為主反射鏡的聚光面積;

（2）集熱場的熱效率η

式中：

m（t）為t時刻集熱器進口導熱介質流量函數，kg;

Cp1（t）為t時刻集熱器入口工質溫度對應的比熱，J/（kg·℃）;

T1（t）為t時刻集熱器入口溫度，℃;

Cp2（t）為t時刻集熱器出口工質溫度對應的比熱，J/（kg·℃）;

T2（t）為t時刻集熱器出口溫度，℃;

I（t）為t時刻法向直接輻射量，kWh/m2;

儲換熱系統預測模塊：儲熱系統由儲熱材料、容器、溫度、流量、壓力測量控制儀器、泵或風機、電機、閥門管道、支架及絕熱材料構成的儲存并可提供熱能，加熱蒸汽發生器，驅動汽輪機發電及泄漏探測，內置燃料，液體攪拌，容器內填放材料和排泄等組成的材料。本模塊根據當前儲換熱系統的運行參數，介質參數進行儲能容量預測。獲取儲熱器溫度、集熱場輸入功率、換熱器溫度和流量，計算儲熱罐儲能的實時值，預測儲熱罐儲能趨勢。

蒸汽發生系統預測模塊：該模塊實現蒸汽系統當前運行工況主要參數，根據蒸汽壓力、溫度、流量等關鍵參數建模預測蒸汽出力曲線。因此，根據蒸汽參數的變化（溫度、壓力、流量）趨勢，可以預測出蒸汽流量曲線。

汽輪發電機系統預測模塊：汽輪發電機組的核心包含蒸汽輪機、冷凝器、發電機等。本模塊包含：

（1）汽輪機狀態監測功能

汽輪機組將高溫、高壓蒸汽具有的內能轉換成機組轉子的機械能，從而帶動發電機發電，這是一種復雜系統，一旦發現故障，必須及時排除，否則會對機組發電功率造成嚴重影響。汽輪機組常見的振動故障（轉子不平衡故障、轉子動靜摩擦故障、轉子出現不對中故障等）。

（2）發電設備效率出力預測功能

發電機作為電站運行中的重要設備之一，對電站的運行質量有很大影響，因此，電站運行過程中必須要積極加強對發電機故障的檢測和排除。主要包含：對發電機組溫度上升情況、冷卻介質情況、電流、電壓等工況監測，采用發電機組歷史數據進行預測出力效率。

根據汽輪機內功率和蒸汽參數有如下關系：

式中：

pi為內功率，MW;

G為蒸汽流量，t/h;

Δhi為比焓，KJ/kg;

ηri為汽輪機內效率。

光熱電站發電功率預測模塊：模塊主要實現電站短期、超短期和中長期的光功率預測計算，以及參數配置管理、誤差分析、預測對比等功能。

電站運行模式優化模塊：本模塊是從氣象、功率模塊獲取電站當前運行主要參數，預測未來發電趨勢，結合電網調度系統下發的調度指令數據進行優化，得出未來一定時間內電站需要采取的最優發電和工作模式。

綜上所述，塔式光熱功率預測系統中各個模塊之間是相輔相成，塔式光熱電站發電功率預測模塊是核心。通過以上模塊對太陽直射輻射和光熱電站在未來一段時間內的發電功率進行準確預測，可避免機組負荷的大幅度變化，提高電站出力的穩定性，延長電站設備的運行壽命。

參考文獻：

[1]《光熱發電站性能評估技術規范》

[2]《塔式太陽能光熱發電站實際標準GBT 51307-2018》

[3]《地面氣象觀測規范》