弃风消纳移动蓄热供暖系统研究

刘景霞* 王 磊

（内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古 包头014010）

近年来社会经济发展飞速, 化石能源也逐渐枯竭, 未来发展的趋势逐渐向风电等清洁能源的合理利用偏移。风力发电是当今世界上技术最纯熟、也是清洁能源发电的技术中前景最好的,如今各国对风电的发展非常关注并支持。我国的风能集中在“三北”地区,且适合大规模的开发,但风电行业快速发展也带来了弃风问题。影响我国风电事业健康发展就是弃风限电问题。近年来风电装机数量迅速增长,弃风情况越来越严重，严重阻碍经济的健康发展。为使能源转型进一步得到促进,控制清洁能源的浪费, 必须高度重视弃风问题,同时采用有效的措施来解决。于是迫切需要一种可行的移动供暖的消纳弃风。为了解决风电就地消纳的严重问题, 已有一系列国家政策出台大力支持开展可再生能源的就近消纳示范点, 处理弃风问题[1]。在北方地区展开了依靠蓄热式的电锅炉供暖达到电能向热能的转化效果,使消纳风电的能力改善。这一移动蓄热供热技术灵活性较高,在夜晚用电负荷低谷的时候进行弃风电量蓄热装置加热,其利用弃风电产生的热能可以给用户供热,剩余的储存起来按需释放。移动蓄热供暖项目的运行,使电网用电低谷负荷增加,大大改善了风电的就地消纳的能力,弃风电在蓄热装置中转换热能后,可以做到随时运输到需要的热工业园区以及居民住宅小区,不仅可以解决了能源浪费,又减少了传统供暖的环境污染问题[2]。利用弃风电量进行移动供暖这一举措可以显著的改善风能利用率，给风电行业带来了新的推动力。

1 移动蓄热装置系统

1.1 移动蓄热装置的构成

移动蓄热装置采用一体化结构设计,将加热、蓄热、换热、放热、及控制功能组合而成的。

以弃风电力作为热源,主要包括蓄热体、空气循环、水循环和中央控制单元四部分。可以看出移动蓄热装置主要由配电柜、蓄热砖、发热电阻丝、换热系统、可调速循环系统、绝缘底座等组成。其中，中央单元协同其他部分工作,保证机组的安全性和经济性的运行。装置的加热部件能够把蓄热装加热到650℃以上,根据供热情景,循环风机智能改变风速驱动风道内的空气,高温蓄热砖产生的温度在循环风的作用下送到换热器实现热量交换。

1.2 移动蓄热装置的工作原理

图1 控制系统网络拓扑图

移动蓄热装置是一种可以储存能量的装置, 其中的蓄热砖密度高,实现储热依靠低谷弃风电,并按需释放热量。其工艺流程为:加热→固体蓄热存储→取热→热交换→供热末端[3]。移动蓄热装置利用弃风电量进行蓄热, 蓄热体和循环系统在中央控制系统的控制下智能运行。

1.3 移动蓄热装置的优势

1.3.1 可以利用廉价低谷电蓄热, 蓄热量可在用电高峰段释放,能够显著地实现削峰填谷,优化电网负荷。

1.3.2 减少火力发电带来的环境污染,同时做到了节约资源。

1.3.3 智能化控制,运行可靠,减少热量浪费,在一定意义上做到了无人值守。

2 移动蓄热供暖控制系统

2.1 控制要求

对于供暖温度这一具有惯性、延迟特点的系统,精确地控制要求非常有必要。用户可选择手动或自动运行方式,并根据实际需要设定蓄热时间段及放热时间段。对于蓄热装置安全方面需要实现在电压电流超过限制、短路的时候能够报警的功能。为了保证安全选择分组加热模式,每组加热情况可人为设定。为达到能量按需释放, 可通过循环风机调速达到设定出水温度的设定。

2.2 基于PLC 的控制系统网络

由于PLC 的特点为结构简单、较容易的编程、通用性高,同时具备突出的抗干扰能力,综合考虑选取PLC 控制蓄热装置控制部分。西门子系列PLC 适用领域广,有齐全的配套,可靠性强大,因此很多规模的工控领域中都有应用到。其中优点显著的PLC 要属S7 系列,对比以前的C3,S3,S5 系列,S7 系列的PLC 通信的能力更加强大,可靠性更加强,体积方面也较小。产品极具突破性的包含西门子的S7-1500,因S7-1500 有能力做到复杂算数及矩阵的处理运算,因为这一点被称为大型的PLC。S7-1500PLC 配备了多种工艺的模块有很强的可操作性。一般来说PLC 中的S7-1500 系列在CPU 模块上集成MPI、DP,PROFINET 等通信的接口,因而能够使各种通讯实现。控制系统的网络拓扑图如图1。

信息处理层的监控主站有Wincc 监控画面安装于PC 机内,能够实现对控制系统的工艺参数还有各类工艺环节实时的监测,归档数据,设置功能等一系列功能;选择西门子PLC S7-1500作为主站, 本文用到的CPU 1511-1 PN 就是通过DP 接口连Profibus-DP 网络, 其主要是实现各类工艺及环节程序的运行功能、对Profibus-DP 网络中各DP 从站的信息采集和控制处理[4]。从站完成信息的交互功能选择PLC S7-1200, 有一些不带任何通讯接口的设备,选择设立ET200SP,I/O 扩展模块构建远程分散的I/O 从站,现场的设备数据交互就可以直接的进行。以上远程I/O 从站会经过Profibus-DP 特用的接口模块连接Profibus-DP现场总线。自带DP 通讯接口的变频器G120 负责循环系统调速的作用。

3 动态矩阵自整定模糊PID 控制器设计

蓄热供暖的系统很难获得精准的数学模型, 同时对于常规PID 控制方法很难达到高效精准的效果。于是人们往往更喜欢应用模糊控制。而动态矩阵控制最优输入策略是经过滚动优化的方式得出的。本文中的DMC 自整定模糊PID 控制是把以上两种方法有机的结合在一起,共同发挥优势。PID 参数在线调节是依靠模糊控制进行的,同时会提升系统的自适应能力[5]。动态矩阵控制对控制过程中的延迟、惯性等起削减的作用,二者结合能很好地解决控制效果指标。

3.1 动态矩阵控制

动态矩阵控制(DMC)算法对系统模型精度要求适中,能让高品质控制实现。究其原因是因为其优化过程反复进行,而不是一次次离线过程。下述三个部分构成DMC 控制系统[6]。

3.2 模糊PID 控制器设计

3.3 基于动态矩阵自整定模糊PID 控制器设计

动态矩阵预测控制依靠阶跃响应进行的,参考过去、当前误差,来预估未来出现的偏差。通过滚动优化计算最有输入。模糊PID 控制器由DMC 给出的两个输入量, 同时依靠模糊算法对PID 控制器的参数处理,得出系统的预测值[7]。并执行相关预测的控制,控制原理框图如图2。

图2 动态矩阵预测模糊PID 控制原理图

设计的动态矩阵模糊PID 控制器,通过对预测步数、控制时域、采样周期进行选取,以及模糊控制模块中温差和温差变化率进行决策，并使用Matlab 中的Simulink 实现系统建模与仿真。

4 结论

移动蓄热供暖这种新型的热电联产模式进行供热,能够使弃风问题得到有效的解决,蓄热装置支持移动,在节约能源的同时做到了减少环境污染，可以有效实现智能控制。动态矩阵模糊PID 控制方法较大程度改善了系统的控制指标, 减少系统的超调量、响应的时间等，该移动蓄热供暖设备给风电事业创造了更广阔的空间。