Research on Control System of Tower Concentrated Solar Power Plant

塔式太阳能光热发电站控制系统是整个电站安全高效运行的大脑，其中定日镜场的控制技术更是整个电站控制的核心环节^[1]。塔式太阳能光热发电站的控制系统具体包括定日镜单体控制^[2]、定日镜场控制^[3]、全厂控制^[4]，其中定日镜单体控制要求满足高精度跟踪控制的同时还要尽可能的降低工程造价，此项技术目前仅掌握在少数几家塔式光热电站EPC工程公司手中，目前国内光热控制技术掌握较好的有北京首航、浙大中控等，国际上的企业有Brightsource、Abengoa、sener、SolarReserve等。定日镜单体的跟踪控制方式主要有两种，分别是光电跟踪方式和视日运动轨迹跟踪方式^[5]；前者是闭环的控制系统，通过传感器测量太阳的实时位置来实现控制，后者是开环的控制系统，通过实时计算当前时刻太阳和支架的相对位置来控制执行机构并利用计算的方法消除控制误差^[6]。本文研究了太阳位置天文计算方法，开发了具有自主知识产权的定日镜法线算法和定日镜反射跟踪算法，目的是进一步的提高控制精度、降低成本。

光热塔式聚热发电技术，是通过大量定日镜跟踪太阳，将太阳光线反射至聚光塔聚热加热吸热器进行发电。根据太阳、定日镜、吸热器的空间关系，定日镜通过计算太阳的变化改变自身角度实现反射光线准确对焦，入射光线通过定日镜镜面反射，求得入射光线与反射光线的法线即可计算定日镜的水平角和俯仰角^[9]。

选取任意一个定日镜作为研究对象，并将太阳光热发电系统中定日镜角度的计算及控制简化为单一定日镜将太阳光反射到聚光靶位中心，并计算测量太阳位置、定日镜位置、聚光靶位位置。其中定日镜位置和聚光靶位位置可通过高精度经纬仪进行测量（经度、维度、海拔），并以定日镜中心位置作为原点，正东为X正向、正南为Y正向、正上为在正向建立空间三维坐标系，其中记定日镜中心为坐标原点O（0，0，0），靶位中心位置B坐标为（X_B，Y_B，Z_B）。太阳位置相对于定日镜，由定日镜经纬度和海拔可由SPA（太阳位置计算方法）计算出相对于定日镜的太阳高度角SUN_H、方位角SUN_A。

如图1所示，在以定日镜中心为原点建立空间三维坐标系之后，以定日镜中心到靶位中心位置的距离OB为半径R建立辅助球面，其中：

Figure 1.  Geometric diagram of reference coordinate

以太阳位置发出光线与辅助球面的交点作为参考太阳位置，相对于定日镜入射光线是等效的。记参考太阳位置为A，A点坐标为（X_A，Y_A，Z_A），其中：

记聚光靶位中心位置B点到参考太阳位置A点间中点为C点，可知OC→为OA→和OB→的角平分线，根据光学反射原理，OC→为定日镜镜面法线。

对于任意时刻t，有C点坐标为（X_i，Y_i，Z_i）：

代入式（2）得：

其中法线OC→相对于空间球面参考坐标系中的高度角记为Normal_H、方位角记为Normal_A。

则有：

可求得：

将式（1）代入式（4），式（4）代入式（6）可求得定日镜镜面法线向量高度角Normal_H、方位角Normal_A。

记镜面方位角为Heliostat_A、高度角为Heliostat_H，根据定日镜镜面与法线的垂直关系，可得以下定日镜反射角度计算公式：

建立控制试验台（如图2所示）对以上控制算法进行测试验证，具体测试方法为：通过计算机进行图像采集。选择太阳光线较为强烈的一天，从上午7点至下午4点每隔半小时采集一次光斑的图像。并利用图像处理技术对实际采集的定日镜反射光斑图像进行处理,通过图像处理等手段获取定日镜反射光斑中心的位置。计算太阳光斑能量中心位置坐标的偏移量,从而获得定日镜的定日误差，记录控制误差数据。测试结果如表1所示。

Figure 2.  Control test bench test reality

定日镜场的控制系统包括上位控制计算机、上位控制器、定日镜就地控制单元以及用于校正跟踪误差的光斑特征系统。

上位计算机主要功能是监控定日镜的运行，操作人员通过上位计算机可以调度全部定日镜，可以通过手动或自动的方式，使定日镜分别处于不同的工作状态。达到控制吸热器表面的温度的目的。

上位控制器是上位控制计算机与定日镜就地控制单元之间通讯的纽带，接收上位计算机的控制指令，运行对应的控制策略，使定日镜按照预先设定的跟踪目标点执行控制指令。

定日镜就地控制单元用于控制定日镜的动作，其核心控制部件是小型PLC（Programmable Logic Controller），PLC通过伺服电机驱动器控制伺服电机旋转，达到移动定日镜光斑的目的。操作人员可以通过就地控制单元上的按钮，直接操作定日镜，也可以使其处于远程控制模式，按照上位控制器提供的目标位置或动作模式，驱动定日镜旋转到指定的目标位置。就地控制单元的箱体上包括以下按钮：远程/就地选择开关、水平顺时针（定日镜水平方向顺时针旋转点动开关）、水平逆时针、俯仰顺时针、水平逆时针、故障复位钮。操作人员选择就地控制时，可以通过点动开关旋转定日镜，此时该定日镜不再接收上位系统的指令。

图像采集处理系统由位于吸热器下方的朗勃靶、CCD（Charge Coupled Device）照相机、图像采集卡以及图像采集处理软件构成，其功能为采集定日镜投射到朗勃靶的图像并计算出光斑中心的偏差。镜场控制系统根据偏差信息决定该定日镜需要的校偏量。

上位控制器可以接收气象站提供的信号，包括：风速、风向、环境温度、太阳的直射辐射、总辐射。定日镜场控制系统通过风速参数决定是否进入大风保护模式，根据太阳的直射辐射值确定是否可以满足电厂运行的需要。

镜场控制系统接收全场控制系统的指令，控制定日镜移动到指定的位置。指定的位置状态包括：紧急避险状态、初始位置状态、竖直清洗状态、自动跟踪状态、待命点状态、自动校准状态。

塔式太阳能热发电厂一般可采用定日镜场、吸热器、储能系统、汽机、发电机、辅助系统集中控制方式，全厂设一个集中控制室，采用一套以微处理器为基础的DCS（Distributed Control System）完成一台汽轮发电机组、发变组及厂用电、辅机冷却水泵房、循环水、化学补给水、凝结水精处理、汽水取样、化学加药等的监控，电子设备间布置在靠近汽机房的位置。

当塔式太阳能热发电厂配置多个镜场及多台机组时，每台机组、镜场及辅助系统作为一个发电单元单独配置一套DCS及相应的电子设备间。集中控制室可设置在全厂统一的生产办公区附近，以便于人员运行组织。从全厂范围看，DCS的电子设备间随各机组呈分散布置状态，各台机组DCS的上位机均布置在集中控制室，与电子机柜间采用光纤连接，一般有2~4 km。不单独设网控控制室，网络控制操作员站布置在集中控制室。全厂控制系统结构图如图3所示，厂级信息管理系统、镜场控制系统、分散控制系统（DCS）组成的自动化网络，实现控制功能分散，信息集中管理的设计原则。全厂自动化系统结构分为厂级管理监控信息层、生产级监控层、控制层、现场层。全厂控制系统联网，纵向各层之间通过网络连接，实现数据传递；横向各控制系统通过网络连接，实现数据交换和集中监控方式，消除了自动化“孤岛”现象，成为一个完整的控制体系，实现全厂信息共享，最大限度地利用各级资源，实现电厂的优化管理。