棄風消納移動蓄熱供暖系統研究

劉景霞* 王 磊

（內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古 包頭014010）

近年來社會經濟發展飛速, 化石能源也逐漸枯竭, 未來發展的趨勢逐漸向風電等清潔能源的合理利用偏移。風力發電是當今世界上技術最純熟、也是清潔能源發電的技術中前景最好的,如今各國對風電的發展非常關注并支持。我國的風能集中在“三北”地區,且適合大規模的開發,但風電行業快速發展也帶來了棄風問題。影響我國風電事業健康發展就是棄風限電問題。近年來風電裝機數量迅速增長,棄風情況越來越嚴重，嚴重阻礙經濟的健康發展。為使能源轉型進一步得到促進,控制清潔能源的浪費, 必須高度重視棄風問題,同時采用有效的措施來解決。于是迫切需要一種可行的移動供暖的消納棄風。為了解決風電就地消納的嚴重問題, 已有一系列國家政策出臺大力支持開展可再生能源的就近消納示范點, 處理棄風問題[1]。在北方地區展開了依靠蓄熱式的電鍋爐供暖達到電能向熱能的轉化效果,使消納風電的能力改善。這一移動蓄熱供熱技術靈活性較高,在夜晚用電負荷低谷的時候進行棄風電量蓄熱裝置加熱,其利用棄風電產生的熱能可以給用戶供熱,剩余的儲存起來按需釋放。移動蓄熱供暖項目的運行,使電網用電低谷負荷增加,大大改善了風電的就地消納的能力,棄風電在蓄熱裝置中轉換熱能后,可以做到隨時運輸到需要的熱工業園區以及居民住宅小區,不僅可以解決了能源浪費,又減少了傳統供暖的環境污染問題[2]。利用棄風電量進行移動供暖這一舉措可以顯著的改善風能利用率，給風電行業帶來了新的推動力。

1 移動蓄熱裝置系統

1.1 移動蓄熱裝置的構成

移動蓄熱裝置采用一體化結構設計,將加熱、蓄熱、換熱、放熱、及控制功能組合而成的。

以棄風電力作為熱源,主要包括蓄熱體、空氣循環、水循環和中央控制單元四部分。可以看出移動蓄熱裝置主要由配電柜、蓄熱磚、發熱電阻絲、換熱系統、可調速循環系統、絕緣底座等組成。其中，中央單元協同其他部分工作,保證機組的安全性和經濟性的運行。裝置的加熱部件能夠把蓄熱裝加熱到650℃以上,根據供熱情景,循環風機智能改變風速驅動風道內的空氣,高溫蓄熱磚產生的溫度在循環風的作用下送到換熱器實現熱量交換。

1.2 移動蓄熱裝置的工作原理

圖1 控制系統網絡拓撲圖

移動蓄熱裝置是一種可以儲存能量的裝置, 其中的蓄熱磚密度高,實現儲熱依靠低谷棄風電,并按需釋放熱量。其工藝流程為:加熱→固體蓄熱存儲→取熱→熱交換→供熱末端[3]。移動蓄熱裝置利用棄風電量進行蓄熱, 蓄熱體和循環系統在中央控制系統的控制下智能運行。

1.3 移動蓄熱裝置的優勢

1.3.1 可以利用廉價低谷電蓄熱, 蓄熱量可在用電高峰段釋放,能夠顯著地實現削峰填谷,優化電網負荷。

1.3.2 減少火力發電帶來的環境污染,同時做到了節約資源。

1.3.3 智能化控制,運行可靠,減少熱量浪費,在一定意義上做到了無人值守。

2 移動蓄熱供暖控制系統

2.1 控制要求

對于供暖溫度這一具有慣性、延遲特點的系統,精確地控制要求非常有必要。用戶可選擇手動或自動運行方式,并根據實際需要設定蓄熱時間段及放熱時間段。對于蓄熱裝置安全方面需要實現在電壓電流超過限制、短路的時候能夠報警的功能。為了保證安全選擇分組加熱模式,每組加熱情況可人為設定。為達到能量按需釋放, 可通過循環風機調速達到設定出水溫度的設定。

2.2 基于PLC 的控制系統網絡

由于PLC 的特點為結構簡單、較容易的編程、通用性高,同時具備突出的抗干擾能力,綜合考慮選取PLC 控制蓄熱裝置控制部分。西門子系列PLC 適用領域廣,有齊全的配套,可靠性強大,因此很多規模的工控領域中都有應用到。其中優點顯著的PLC 要屬S7 系列,對比以前的C3,S3,S5 系列,S7 系列的PLC 通信的能力更加強大,可靠性更加強,體積方面也較小。產品極具突破性的包含西門子的S7-1500,因S7-1500 有能力做到復雜算數及矩陣的處理運算,因為這一點被稱為大型的PLC。S7-1500PLC 配備了多種工藝的模塊有很強的可操作性。一般來說PLC 中的S7-1500 系列在CPU 模塊上集成MPI、DP,PROFINET 等通信的接口,因而能夠使各種通訊實現。控制系統的網絡拓撲圖如圖1。

信息處理層的監控主站有Wincc 監控畫面安裝于PC 機內,能夠實現對控制系統的工藝參數還有各類工藝環節實時的監測,歸檔數據,設置功能等一系列功能;選擇西門子PLC S7-1500作為主站, 本文用到的CPU 1511-1 PN 就是通過DP 接口連Profibus-DP 網絡, 其主要是實現各類工藝及環節程序的運行功能、對Profibus-DP 網絡中各DP 從站的信息采集和控制處理[4]。從站完成信息的交互功能選擇PLC S7-1200, 有一些不帶任何通訊接口的設備,選擇設立ET200SP,I/O 擴展模塊構建遠程分散的I/O 從站,現場的設備數據交互就可以直接的進行。以上遠程I/O 從站會經過Profibus-DP 特用的接口模塊連接Profibus-DP現場總線。自帶DP 通訊接口的變頻器G120 負責循環系統調速的作用。

3 動態矩陣自整定模糊PID 控制器設計

蓄熱供暖的系統很難獲得精準的數學模型, 同時對于常規PID 控制方法很難達到高效精準的效果。于是人們往往更喜歡應用模糊控制。而動態矩陣控制最優輸入策略是經過滾動優化的方式得出的。本文中的DMC 自整定模糊PID 控制是把以上兩種方法有機的結合在一起,共同發揮優勢。PID 參數在線調節是依靠模糊控制進行的,同時會提升系統的自適應能力[5]。動態矩陣控制對控制過程中的延遲、慣性等起削減的作用,二者結合能很好地解決控制效果指標。

3.1 動態矩陣控制

動態矩陣控制(DMC)算法對系統模型精度要求適中,能讓高品質控制實現。究其原因是因為其優化過程反復進行,而不是一次次離線過程。下述三個部分構成DMC 控制系統[6]。

3.2 模糊PID 控制器設計

3.3 基于動態矩陣自整定模糊PID 控制器設計

動態矩陣預測控制依靠階躍響應進行的,參考過去、當前誤差,來預估未來出現的偏差。通過滾動優化計算最有輸入。模糊PID 控制器由DMC 給出的兩個輸入量, 同時依靠模糊算法對PID 控制器的參數處理,得出系統的預測值[7]。并執行相關預測的控制,控制原理框圖如圖2。

圖2 動態矩陣預測模糊PID 控制原理圖

設計的動態矩陣模糊PID 控制器,通過對預測步數、控制時域、采樣周期進行選取,以及模糊控制模塊中溫差和溫差變化率進行決策，并使用Matlab 中的Simulink 實現系統建模與仿真。

4 結論

移動蓄熱供暖這種新型的熱電聯產模式進行供熱,能夠使棄風問題得到有效的解決,蓄熱裝置支持移動,在節約能源的同時做到了減少環境污染，可以有效實現智能控制。動態矩陣模糊PID 控制方法較大程度改善了系統的控制指標, 減少系統的超調量、響應的時間等，該移動蓄熱供暖設備給風電事業創造了更廣闊的空間。