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導(dǎo)讀：2023年10月28日，由中國自動化學(xué)會主辦的2023國家工業(yè)軟件大會在浙江湖州盛大開幕。大會以“工業(yè)軟件·智造未來”為主題，匯聚了25位國內(nèi)外院士，1500余位代表，共同探討工業(yè)軟件領(lǐng)域前沿理論和技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用問題，共同謀劃我國工業(yè)軟件未來發(fā)展之道。
浙江可勝技術(shù)股份有限公司金建祥董事長受邀在2023國家工業(yè)軟件大會中作題為“新一代光熱發(fā)電控制軟件及其系統(tǒng)”的專題報告。光熱發(fā)電屬于太陽能發(fā)電的一個分支，它自帶大規(guī)模低成本長時儲能，涉網(wǎng)性能優(yōu)異，全生命周期內(nèi)碳排放遠低于光伏，在未來高比例風(fēng)光新能源的電力系統(tǒng)中具有不可替代作用。塔式熔鹽儲能光熱發(fā)電技術(shù)是新一代光熱發(fā)電技術(shù)，其核心技術(shù)就是控制技術(shù)與軟件技術(shù)，本報告對此做了詳細分析與應(yīng)用介紹。
一、塔式光熱發(fā)電技術(shù)及其定位
2020年9月，總書記提出了“雙碳”目標(biāo)，包括碳達峰和碳中和，這是應(yīng)對氣候變化和減少碳排放的重要承諾。實現(xiàn)碳達峰相對較容易，可通過到達峰值后減少碳排放來實現(xiàn)，但達到碳中和則更具挑戰(zhàn)性。要實現(xiàn)碳中和，必須大力發(fā)展可再生能源，其中包括光伏和風(fēng)電等清潔能源。中國制定了針對大型風(fēng)電和光伏基地的規(guī)劃布局方案，特別側(cè)重于沙漠、戈壁和荒漠地區(qū)，計劃到2030年規(guī)劃建設(shè)風(fēng)光基地總裝機約4.55億千瓦。如圖1所示，根據(jù)相關(guān)權(quán)威機構(gòu)的預(yù)測，為在2060年實現(xiàn)碳中和，風(fēng)電和太陽能發(fā)電總裝機將需要達到60億千瓦，裝機占比近80%。截至今年9月底，全國發(fā)電裝機總?cè)萘窟_27.9億千瓦，遠遠超過中國目前最大負荷，其中，風(fēng)電和光伏裝機容量合計達到9.2億千瓦。因此，在這一背景下，風(fēng)電、光伏裝機保持快速增長的同時，未來對儲能技術(shù)的需求將繼續(xù)增長，以更有效地管理可再生能源并確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。
圖1 2020-2060年我國各類電源裝機總量變化
因此，2021年3月15日國家提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)這一提議。對于從事電力系統(tǒng)工作的人來說，這意味著電力系統(tǒng)將面臨重大的挑戰(zhàn)和變革。因為大量的分布式電源通過電力電子設(shè)備進行并網(wǎng)，這使得以新能源為主體的電力系統(tǒng)面臨許多新問題需要解決，現(xiàn)有的分析工具、原理和規(guī)范可能需要重新思考和更新。這也強調(diào)了新能源技術(shù)的快速發(fā)展對電力行業(yè)和研究領(lǐng)域的影響，迫使我們積極探索和解決新的電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)。
新型電力系統(tǒng)面臨著三大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)在電源與負荷之間維持平衡，通過頻率調(diào)整來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，以新能源為主體的電力系統(tǒng)引入了不可控因素，導(dǎo)致以下三個主要問題：
1.電力供應(yīng)的保障難度增加：高峰用電需求通常與風(fēng)力和太陽能發(fā)電的高產(chǎn)期不重合。這意味著在高峰時段，可能會出現(xiàn)電力供應(yīng)不足的情況，需要采取措施來確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。
2.電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行風(fēng)險增加：風(fēng)電、光伏和電化學(xué)儲能技術(shù)都依賴于電力電子設(shè)備進行并網(wǎng)。這些設(shè)備缺乏轉(zhuǎn)能慣量，不具備支撐電網(wǎng)大規(guī)模輸送電力的能力，因此可能對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生重大影響。
3.新能源大規(guī)模高比例的并網(wǎng)問題：可再生能源的裝機容量往往遠超過最大負荷需求，現(xiàn)有靈活電源的調(diào)節(jié)能力和儲能容量遠遠不夠，如何有效地吸納和管理過剩電力將成為一個挑戰(zhàn)。
這些挑戰(zhàn)將隨著風(fēng)電和光伏裝機容量的增加而日益嚴(yán)峻。解決這些問題需要采取創(chuàng)新的措施，包括發(fā)展更強大的儲能技術(shù)、智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)，以及采用多元化的可再生能源發(fā)電技術(shù)。
光伏發(fā)電和光熱發(fā)電代表了太陽能發(fā)電領(lǐng)域兩種不同的技術(shù)路徑。光伏發(fā)電將太陽光的低能量密度直接轉(zhuǎn)化為直流電，然后通過逆變器將電能并網(wǎng)，實現(xiàn)電力供應(yīng)。這一技術(shù)的優(yōu)勢眾多，包括簡單、低成本、對環(huán)境要求不高，以及能夠在各種地點安裝和維護的便捷性。然而，光伏發(fā)電有一個顯著的弱點，即電力產(chǎn)生完全依賴于太陽光的可用性。
相比之下，光熱發(fā)電采用一種不同的方法，它首先將太陽光聚焦到集熱器上，將其轉(zhuǎn)化為熱能，然后儲存起來。太陽光能量密度較低，但通過將其數(shù)百倍地聚焦，可以實現(xiàn)更高的能量密度。光熱發(fā)電系統(tǒng)中使用的儲能介質(zhì)是一種特殊的混合鹽，由硝酸鉀和硝酸鈉組成。這種鹽在物性上發(fā)生顯著變化，包括熔點、沸點、比熱容和粘度等方面。其熔點在200-220℃之間，可儲存高溫差的熱能。這種熔鹽儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢在于相對低廉的成本，一噸鹽可以儲存大約40度電所需要的熱能，綜合成本較低。此外，這種鹽非常穩(wěn)定，不會氧化，也不會發(fā)生爆炸。
光熱發(fā)電技術(shù)和熔鹽儲能系統(tǒng)的發(fā)展為可再生能源提供了新的可能性。它們提高了能源的儲存效率，解決了光伏發(fā)電的波動性問題，確保了連續(xù)供能。這種創(chuàng)新有望在未來的清潔能源領(lǐng)域中發(fā)揮關(guān)鍵作用，促進更可持續(xù)的能源生產(chǎn)和利用，為我們實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和減少碳排放提供了有力支持。光伏發(fā)電和光熱發(fā)電代表了太陽能發(fā)電技術(shù)的兩個重要方向，各自在不同應(yīng)用和場景中發(fā)揮作用，共同推動了清潔能源的發(fā)展。
第一代光熱發(fā)電技術(shù)類似于家用太陽能熱水器，其基本原理是在拋物面凹槽的焦點處安裝一個集熱管，用來高效聚焦太陽能熱量。第二代光熱發(fā)電技術(shù)如圖2所示，一般太陽能熱水器的聚焦倍數(shù)較低，通常不超過80倍，而這項新一代技術(shù)能夠?qū)⒕劢贡稊?shù)提高到一千倍，甚至可以通過軟件調(diào)整到兩千倍。這一技術(shù)使用大量的鏡子，跟隨太陽的運動，確保太陽光線一直反射到位于約250米高的吸熱器上，達到一千倍的聚焦后，能量密度顯著提高，易于有效利用。通過這一過程，低溫鹽可以迅速被加熱至高溫度，然后儲存在高溫鹽罐中，每噸鹽可以儲存40度電所需的熱能。該技術(shù)巧妙地將能源的收集和儲存結(jié)合在一起，后續(xù)步驟與傳統(tǒng)的煤電發(fā)電方式相似，即將高溫的熱能與水進行換熱，通過蒸汽發(fā)生器獲得高溫高壓的過熱蒸汽，以用于推動汽輪機發(fā)電。目前，這項技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了高達540-550℃的蒸汽溫度，并可以達到46%以上的熱電效率。
圖2 典型塔式光熱電站原理
光熱發(fā)電技術(shù)存在一個重要挑戰(zhàn)，即太陽輻射能不穩(wěn)定與電網(wǎng)穩(wěn)定用電需求之間的矛盾，但利用熔鹽儲能系統(tǒng)可以克服這一問題。熔鹽儲能具備多重優(yōu)勢，包括更低的成本、長期可靠的壽命、無爆炸風(fēng)險，以及全生命周期的環(huán)保性，這使得熔鹽儲能成為一個具有廣泛應(yīng)用前景的替代方案。
當(dāng)前，中國電網(wǎng)主要依賴煤電，全社會用電量大約70%是由火電提供的，這使得煤電成為了調(diào)峰的主力電源。然而，光熱的調(diào)節(jié)能力優(yōu)于煤電。煤電的調(diào)節(jié)能力受到限制，主要是由于鍋爐性能難以將負荷降至較低水平。即使進行深度調(diào)峰改造，大多數(shù)煤電廠的負荷也很少低于20%。一旦降到20%以下，通常需要依賴柴油等備用電源來維持穩(wěn)定供電。相比之下，光熱發(fā)電非常容易降低到15%的最低負荷。此外，煤電系統(tǒng)的負荷調(diào)節(jié)速度較慢，因鍋爐慣性較大，通常需要一個小時或更長時間才能實現(xiàn)從50%升至100%的調(diào)節(jié)。而光熱發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度更快，通常在20分鐘內(nèi)就能實現(xiàn)。
光熱發(fā)電技術(shù)在低碳清潔能源領(lǐng)域表現(xiàn)出卓越的性能，其全生命周期的電力碳排放量僅為光伏發(fā)電的五分之一，而熔鹽儲能的低成本和環(huán)保特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、低成本的能源儲存，同時調(diào)節(jié)能力強于傳統(tǒng)火力發(fā)電。因此，光熱發(fā)電技術(shù)對于構(gòu)建高比例可再生能源的電力系統(tǒng)和確保電網(wǎng)安全運行具有重要意義。
二、塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)及其控制難點
圖3是一個經(jīng)過簡化的塔式光熱發(fā)電工藝流程圖，從右到左依次展示了各個部分。最右側(cè)是傳統(tǒng)的汽輪機，經(jīng)過必要的簡化處理。最左側(cè)是進口處的聚光集熱系統(tǒng)，用來將低密度的太陽光聚焦，將其轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮堋Ｔ谥虚g部分是熔鹽儲熱系統(tǒng)，其中包括兩個鹽罐，一個是低溫罐，另一個是高溫罐。這個系統(tǒng)產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，其參數(shù)通常在13.7MPa、545℃左右。
圖3 典型塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)簡化工藝流程圖
光熱發(fā)電的核心挑戰(zhàn)之一是鏡場控制技術(shù)。這一技術(shù)面臨三個主要問題：首先，鏡場規(guī)模龐大。一個光熱電站的鏡場通常包含超過50萬個電控點，遠遠超出常規(guī)控制系統(tǒng)的控制規(guī)模。其次，對可靠性要求非常高，鏡場面積廣闊，需要在極端自然環(huán)境條件下正常運行，包括高溫、低溫、風(fēng)沙和雷電等。一些控制系統(tǒng)必須在特定恒溫恒濕的機房內(nèi)運行，但光熱鏡場的巨大規(guī)模和開放性環(huán)境使得這種特殊處理不現(xiàn)實。第三，需要長期保持精確控制，但監(jiān)控和維護難度較大。光熱發(fā)電系統(tǒng)還需要解決能量損失問題，由于云層或陰天經(jīng)常出現(xiàn)，導(dǎo)致表面溫度急劇變化，對設(shè)備構(gòu)成熱應(yīng)力，因此需要精確的溫度控制以防止設(shè)備損壞。此外，避免鏡子失焦也是關(guān)鍵，否則可能導(dǎo)致熱能聚焦在不應(yīng)照射的地方，對設(shè)備造成損害。
此外，光熱發(fā)電領(lǐng)域還面臨著極高的精度要求，如圖4所示。通常，控制系統(tǒng)需要能夠檢測誤差并通過控制規(guī)律進行調(diào)整，以減少偏差和消除余差。然而，在光熱發(fā)電的復(fù)雜應(yīng)用場景下，無法實現(xiàn)閉環(huán)控制，因為光的感知是非線性的，而光照度達到一定程度后，對光的變化變得不敏感，這對控制系統(tǒng)的操作構(gòu)成了挑戰(zhàn)。光熱發(fā)電站需要具備大規(guī)模和經(jīng)濟性，因此，光熱鏡場通常擁有巨大的面積，同時具有高度的精度要求。鏡面必須精確地照射到遠處的吸熱器上，這要求平均跟蹤精度達到3-4mrad，而面對不同時間段的風(fēng)向變化、風(fēng)速和不確定性以及氣象因素時，鏡場的控制就變得非常復(fù)雜。
圖4 鏡場高精度聚光示意圖
在高精度控制方面，需要強調(diào)的是，如果不是專業(yè)的控制工程師來負責(zé)鏡場控制，早上和下午的光斑分布會出現(xiàn)顯著的差異。光斑有的區(qū)域非常明亮，而有的區(qū)域非常昏暗。高亮度區(qū)域很容易導(dǎo)致熔鹽氣化，而一旦熔鹽溫度超過600度，將進入一種惡性循環(huán)。外部聚焦光投射到這些區(qū)域時，一旦熔鹽不能有效帶走熱量，會導(dǎo)致不銹鋼吸熱管熔化。但如果聚光倍數(shù)很低，有可能在吸熱器的進鹽口發(fā)生嚴(yán)重的堵管生產(chǎn)事故。因此，光熱發(fā)電的高精度控制對于確保安全和高效運行至關(guān)重要。
光熱電站通常位于沙漠、戈壁和荒漠地區(qū)，這些地方陽光充足，但生活條件相對較差，不太吸引受過良好教育和自由職業(yè)的人前往。因此，確保光熱電站能夠全自動運營成為關(guān)鍵因素。依賴人力運營這樣的電站是不太可能的，因為光熱電站的運營比煤電站復(fù)雜得多。因此，實現(xiàn)全自動運營對于提高光熱電站的產(chǎn)能和降低成本具有重要意義。
光熱電站涉及多個關(guān)鍵組件，包括鏡場、吸熱系統(tǒng)、儲換熱系統(tǒng)，這些組件需要進行順序控制、連續(xù)控制以及校正的自適應(yīng)控制。如圖5所示，由于光熱發(fā)電涉及多個環(huán)節(jié)，通常工程師都會采取保守的設(shè)計方法，為每個環(huán)節(jié)留有一些裕量，這導(dǎo)致了光能轉(zhuǎn)化為電能的效率明顯降低，同時也增加了投資成本。優(yōu)化的空間在于設(shè)計和運行階段，通過降低設(shè)計的裕度來降低投資成本，并通過提高光電轉(zhuǎn)化效率來提高發(fā)電效率。以50MW電站為例，設(shè)計點初始設(shè)計效率為22%，但實際測量效率為24.2%，提高了10%。這是因為在設(shè)計中為每個環(huán)節(jié)留有過多的余量，導(dǎo)致設(shè)計效率較低。因此，在設(shè)計和運行階段都存在優(yōu)化的潛力，以提高太陽能的利用效率，減少浪費。目前，塔式光熱發(fā)電作為新一代的發(fā)電技術(shù)，發(fā)電效率約為16-17%，實際光能轉(zhuǎn)化為電能的比例相對較低，大部分太陽能被浪費。
圖5 光-電轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)
三、塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)軟件
光熱電站存在與IT技術(shù)也息息相關(guān)。首先，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)非常龐大，一旦網(wǎng)絡(luò)中斷，數(shù)萬面的定日鏡會在幾分鐘內(nèi)失靈，導(dǎo)致光線偏離焦點。其次，太陽軌跡隨著時間不斷變化，每天在相同時間太陽的角度也不同，需要進行天文計算來準(zhǔn)確預(yù)測。在光熱電站中，成千上萬面的鏡子由于細微的經(jīng)緯度和海拔差異，同一時間的太陽角度也各不相同，這也需要進行天文計算。然而，隨著新一代光熱技術(shù)的計算能力大幅增強，與20年前相比，現(xiàn)在能夠更輕松地計算每個定日鏡在第二天每隔數(shù)秒的太陽高度角，而不需要使用大型超級計算機。
光熱電站采用分層式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖6所示，DCS系統(tǒng)用于整個電廠的控制，而鏡場控制系統(tǒng)則采用一種分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持多達10萬臺日光鏡，約有60萬個數(shù)據(jù)點。加上常規(guī)控制系統(tǒng)的2萬個數(shù)據(jù)點，總計達到62萬個數(shù)據(jù)點，這可以覆蓋超過300萬平方米的聚光面積，年發(fā)電量可達10億度電。此外，系統(tǒng)還包括氣象檢測和校正系統(tǒng)。氣象檢測系統(tǒng)用于制定云策略，以最大程度地提高太陽光的利用效率，并監(jiān)測大風(fēng)等惡劣天氣條件，確保設(shè)備安全運行。校正系統(tǒng)采用自動標(biāo)定技術(shù)，使安裝過程中的精度要求降低，而后使用校正軟件和數(shù)碼相機來實現(xiàn)自動校準(zhǔn)。這種自動校準(zhǔn)技術(shù)大幅提高了校正過程的效率，避免了大量的人工干預(yù)。
圖6 塔式光熱電站系統(tǒng)架構(gòu)
塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的軟件可以分為多個類別，包括高精度校正系統(tǒng)軟件、監(jiān)控系統(tǒng)軟件、云檢測軟件、仿真培訓(xùn)軟件和運營優(yōu)化平臺軟件。這些軟件的功能包括鏡場管理、能量管理、氣象監(jiān)控與預(yù)測、操作培訓(xùn)、運行優(yōu)化和性能分析。當(dāng)前的系統(tǒng)在精度方面已經(jīng)實現(xiàn)了1.65mrad，滿足了面積達到300萬平方米的鏡場需求。每天可以校準(zhǔn)5000臺的定日鏡，其對定日鏡利用率的影響在1%以內(nèi)。
圖7展示了監(jiān)控軟件不同的鏡子狀態(tài)。吸熱器在光熱發(fā)電中扮演著核心角色，它需要在高溫、高熱應(yīng)力和溫度迅速變化的情況下確保安全，并提高吸熱器的吸熱效率，減少能量和光線的浪費。目前存在大約15%的能量和光線浪費，主要是由多雨的天氣引起的。每天太陽落山時，可能會發(fā)生各種意外情況，最常見的情況是管道堵塞，因為目前的管道相對較細，大約只有2厘米不到，太陽落山時能量密度較低，熔鹽的粘度較大，而溫度較低，這使得一小部分鹽可能會進入吸熱管道內(nèi)，在第二天的預(yù)熱過程中會導(dǎo)致堵塞。監(jiān)控軟件可以自動識別管道堵塞的位置，然后自動地進行化鹽的處理，逐漸提高能量效率，減少對發(fā)電量的影響。
圖7 監(jiān)控系統(tǒng)軟件
云預(yù)測系統(tǒng)在多云天氣下提高發(fā)電量方面發(fā)揮著非常重要的作用，沒有云預(yù)測系統(tǒng)，即使使用出色的軟件也無濟于事。此外，還有仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，用于培訓(xùn)操作員。運營優(yōu)化平臺軟件包括運營分析功能、設(shè)備診斷功能和操作考核功能。操作員的運行水平與發(fā)電量之間存在著很大的關(guān)聯(lián)，因此需要一種有效的考核軟件來評估他們每天的運行表現(xiàn)，三種軟件的可視化界面如圖8所示。
圖8 云預(yù)測、仿真、運營軟件
四、應(yīng)用情況介紹
圖9展示了中國首批光熱發(fā)電示范項目——青海中控德令哈50MW項目，這個項目于2016年啟動，2018年按計劃成功并網(wǎng)發(fā)電。到目前為止，它是全球新一代光熱發(fā)電技術(shù)路線中的第一個，也是唯一一個達到了設(shè)計要求的項目。在2020年2月新冠疫情最嚴(yán)重時，它連續(xù)13天不停機發(fā)電，表現(xiàn)出其在應(yīng)對挑戰(zhàn)方面的卓越能力。
圖9 青海中控德令哈50MW項目現(xiàn)場
相對于光伏技術(shù)，雖然可勝技術(shù)在光熱發(fā)電領(lǐng)域發(fā)展較晚，存在一些技術(shù)尚不成熟的問題，但目前已成為全球唯一一家業(yè)績超過1GW的第二代光熱發(fā)電技術(shù)提供商，總裝機容量已經(jīng)達到1.26GW。此外，中標(biāo)率也非?？捎^，上半年超過70%，年均達到60%左右，如圖10所示，這顯示了光熱發(fā)電在市場的受歡迎程度。
圖10 項目業(yè)績
光熱發(fā)電技術(shù)對于建設(shè)高比例的可再生能源電力系統(tǒng)、確保電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運行具有重要意義，而塔式太陽能發(fā)電技術(shù)憑借其高效率和良好的經(jīng)濟性被認為是最有前景的光熱發(fā)電技術(shù)。在這一領(lǐng)域中，控制系統(tǒng)扮演著核心角色，可勝技術(shù)研發(fā)的新一代光熱發(fā)電控制軟件系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多個項目，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模定日鏡場的集群控制，確保電站的穩(wěn)定運行，同時提高電站的發(fā)電效率。這一系統(tǒng)為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)和實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了關(guān)鍵支持，有望推動清潔能源的發(fā)展和碳減排目標(biāo)的實現(xiàn)。
*本文根據(jù)作者在2023國家工業(yè)軟件大會上所作報告速記整理而成
