张瑞祥，张 洁，包耀龙

(1.西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075；2.陕西华电新能源发电有限公司，陕西 西安 710075)

1 概述

光热发电(太阳能热发电)是将太阳能转换为热能，通过热－功转换过程发电的系统。除了和常规火力发电类似的热－功转换系统外，太阳能热发电还有个光热转化过程，是光－热－功三者耦合的系统。按照太阳能采集方式，当前太阳能热发电可划分为抛物槽式发电、塔式发电、线性菲涅尔式发电、碟式发电，在国外有商业化应用的主要是槽式和塔式发电。

太阳能光热发电的优势在于通过热储存和其它能源的互补，能够提供稳定的电力供应，对电网冲击小，具备调频、调峰能力，规模效益显著，因此全球范围内已建和在建的光热发电站越来越多。对于常规火力发电厂，全厂生产自动化系统已很成熟，但是对于光热发电站，由于工艺系统的变化以及光场布置面积大、受控设备分散布置，全厂生产自动化系统跟常规火电有区别，且国内目前还没有关于光热发电站控制系统方面相关的规范和标准可参考，50 MW及以上机组容量光热发电站的控制系统在国内也没有应用业绩，因此对光热发电站全厂生产自动化系统的功能设计与应用研究对于工程实践很有意义。

光热发电站光场占地面积很大，图1和图2分别是目前全球投入商业化运行的单台装机容量最大的槽式和塔式光热发电项目的卫星视图，从图中可以看出光场设备分散、控制设备分散。

图1 美国Solana槽式光热发电站(280 MW)

图2 美国新月沙丘塔式光热发电站(110 MW)

光热发电站在一天的运行中，由于吸收的太阳能量受光照和外部气候条件的影响，因此系统在不同工况条件下会出现不同的耦合运行方式，其基本的运行模式包括四种，模式一：太阳能集热场吸收的热能全部用于生产过热蒸汽并直接输往汽轮机；模式二：太阳能集热场吸收的热能全部输往储能系统；模式三：利用储能系统生产过热蒸汽输往汽轮机；模式四：利用太阳能集热场吸收的热能和储能系统的热能共同生产蒸汽驱动汽轮机。由于光热发电站有较多的运行模式，因此需要优化全厂生产自动化系统网络及控制方式，以更好地适应光热发电站各个系统的协调运行。

2 光热电站生产自动化总体设计

2.1 控制方式及自动化水平

光热发电站占地面积大、受控设备较分散，所以全厂的生产自动化水平应满足在较少人员的干预下，整个系统自动运行，所有系统(聚光集热系统、传热系统、换热系统、储热系统、汽轮机发电机组及其辅助系统等)应可以在就地人员的巡回检查和少量操作的配合下，在集中控制室内的操作员站实现整套机组启停、运行工况监视和调整、事故处理等。

目前光热发电站全厂的控制系统主要由太阳能场(光场)控制系统SCS和发电区分散控制系统DCS组成，光场采用可编程控制器PLC组成的控制系统。光场控制系统操作员站也布置在集中控制室内。全厂一套DCS控制系统，光场部分的就地控制系统采用通讯方式纳入DCS进行监控。

2.2 光场控制系统SCS

光场控制系统完成对整个光场中槽式线聚焦型集热器、塔式点聚焦型定日镜的控制，实现在集中控制室对整个光场的监视与控制。光场控制系统主要由就地控制单元LOC、通讯网络和集中监控单元组成。图3和图4分别是槽式和塔式光热控制系统单回路示意图，其中通讯网络可以采用星形和环形相结合的方式实现成千上万个受控设备的控制。

图3 槽式光场控制系统SCS单回路示意图

图4 塔式光场控制系统SCS单回路

2.2.1 就地控制单元LOC

就地控制单元LOC控制每个光场执行机构的动作。LOC的运行模式主要有：跟踪模式、停止模式、清洗模式等。每个LOC的主要功能是接收集中监控单元SCS的操作指令，以及运行太阳定位算法、并输出计算结果。

LOC的跟踪控制系统可划分为3类：开环控制、闭环控制和混合控制。若存在反馈，称为闭环控制；若不存在反馈，称为开环控制；混合控制是开环和闭环控制的结合。

(1)开环控制方式

开环控制要先确定一个初始位置，根据某时刻太阳相对位置的差值，计算出电机转过该差值所需的脉冲数，该控制方式又分为时钟跟踪和程序跟踪，见图5。

图5 开环控制

(2)闭环控制方式

闭环控制方式就是利用传感器来测定入射光线和系统光轴间的偏差，当偏差超过一个阈值时，通过电机驱动机械部分转动减小偏差，实现对太阳高度角和方位角的跟踪，见图6。如果采用闭环控制，需要增加光敏传感器，目前在工程启用中，考虑到项目的成本，LOC跟踪一般采用开环控制。

图6 闭环控制

(3)混合控制方式

混合控制一般在没用云的情况下采用闭环传感器跟踪，当云遮挡太阳辐射时，控制系统采用开环控制方式。

混合控制是交替开环和闭环的混合控制方式，此控制方式克服了程控存在的累积误差、光控受天气变化影响大的缺点，因此混合控制方式具有较高的跟踪精度。

2.2.2 通讯网络

通讯网络完成对就地控制单元LOC与监控单元的通信连接，保证网络数据传输的可靠性和准确性。光热发电站的光场受控设备数量庞大，某100 MW塔式机组有7万多面定日镜，如何保证通讯网络连接设备的速率和系统的可靠性是光场控制系统的难点，目前工程中采用星型+环型的网络结构，将全厂定日镜回路分为若干个子环，每个子环最多可串联若干个LOC，各子环通过冗余的环形网络纳入镜场控制系统SCS，某槽式光热发电项目光场控制系统网络结构见图7。

图7 槽式光场控制系统网络结构

2.2.3 集中监控单元

集中监控单元的主要功能是运行人员在集控室监控光场中每个受控设备如定日镜、集热器的实时状态，并结合运行模式和气象条件发送控制指令至就地LOC。光场中的每个LOC都可以通过网络与SCS系统直接或间接的连接。同时，SCS系统以通讯的方式与全厂分散控制系统DCS连接，SCS实现的主要功能如下：

(1)光场实时信息监测：工作站监视器以图形方式显示 所有LOC的实时信息，提供从LOC收到的所有实时运行状态和报警信息。同时也会显示光场的其他现场仪表的测量数据。

(2)光场实时控制：光场控制系统用于控制光场内的各个被控设备的运行状态。可以实现单体设备控制或群组控制的切换，以及手动和自动模式的切换。

(3)光场安全运行保障:集中监控单元实时监控受控设备的运行信息并保证所有的运行状态不超出极限值。系统根据接收到的光场报警信息及现场仪表的测量结果，发送正确的命令给现场的LOC执行相关指令。

光场控制系统SCS常见的几种运行模式：

(1)抗风模式：所有定日镜或集热器在抗风模式，整个光场停止工作。

(2)等待模式：当光资源不足时，SCS会让整个光场进入此状态。

(3)跟踪模式：该模式是光场的最大生产模式，所有定日镜或集热器处于自动跟踪模式。

2.3 发电区控制系统DCS

发电区的工艺系统主要包括储换热系统、蒸汽发生系统、常规汽轮发电机组及其辅助系统、水处理系统等，由于目前光热发电站机组容量一般为50 MW和100 MW，比较常规火力发电机组没有燃烧、运煤和除灰等系统，发电区的IO点数较少，因此光热发电站全厂采用一套分散控制系统DCS，完成太阳岛和发电区的集中监视与控制，辅助车间系统不设置就地控制室。图8所示是某工程发电区控制系统网络结构图，控制系统分为现场层、控制层和生产级监控层。

图8 发电区控制系统网络结构

3 结论

太阳能光热发电站的生产自动化系统在国外已有成熟的应用，国内尚处于起步和示范阶段。本文结合正在执行的太阳能光热发电工程，总结和分析光热发电站控制系统的结构和功能设计。由于光热发电站光场受控设备占地面积大、数量众多等特点，因此太阳能光热发电站全厂生产自动化系统的优化配置，尤其对于光场控制系统SCS的功能设计、控制策略等的优化，将是未来光热发电站自动化领域的一个发展方向。