導讀：2023年10月28日，由中國自動化學會主辦的2023國家工業軟件大會在浙江湖州盛大開幕。大會以“工業軟件·智造未來”為主題，匯聚了25位國內外院士，1500余位代表，共同探討工業軟件領域前沿理論和技術創新應用問題，共同謀劃我國工業軟件未來發展之道。
浙江可勝技術股份有限公司金建祥董事長受邀在2023國家工業軟件大會中作題為“新一代光熱發電控制軟件及其系統”的專題報告。光熱發電屬于太陽能發電的一個分支，它自帶大規模低成本長時儲能，涉網性能優異，全生命周期內碳排放遠低于光伏，在未來高比例風光新能源的電力系統中具有不可替代作用。塔式熔鹽儲能光熱發電技術是新一代光熱發電技術，其核心技術就是控制技術與軟件技術，本報告對此做了詳細分析與應用介紹。
一、塔式光熱發電技術及其定位
2020年9月，總書記提出了“雙碳”目標，包括碳達峰和碳中和，這是應對氣候變化和減少碳排放的重要承諾。實現碳達峰相對較容易，可通過到達峰值后減少碳排放來實現，但達到碳中和則更具挑戰性。要實現碳中和，必須大力發展可再生能源，其中包括光伏和風電等清潔能源。中國制定了針對大型風電和光伏基地的規劃布局方案，特別側重于沙漠、戈壁和荒漠地區，計劃到2030年規劃建設風光基地總裝機約4.55億千瓦。如圖1所示，根據相關權威機構的預測，為在2060年實現碳中和，風電和太陽能發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，全國發電裝機總容量達27.9億千瓦，遠遠超過中國目前最大負荷，其中，風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，風電、光伏裝機保持快速增長的同時，未來對儲能技術的需求將繼續增長，以更有效地管理可再生能源并確保電力供應的穩定性。
圖1 2020-2060年我國各類電源裝機總量變化
因此，2021年3月15日國家提出構建以新能源為主體的新型電力系統這一提議。對于從事電力系統工作的人來說，這意味著電力系統將面臨重大的挑戰和變革。因為大量的分布式電源通過電力電子設備進行并網，這使得以新能源為主體的電力系統面臨許多新問題需要解決，現有的分析工具、原理和規范可能需要重新思考和更新。這也強調了新能源技術的快速發展對電力行業和研究領域的影響，迫使我們積極探索和解決新的電力系統挑戰。
新型電力系統面臨著三大嚴峻挑戰。傳統的電力系統在電源與負荷之間維持平衡，通過頻率調整來確保系統的穩定性。然而，以新能源為主體的電力系統引入了不可控因素，導致以下三個主要問題：
1.電力供應的保障難度增加：高峰用電需求通常與風力和太陽能發電的高產期不重合。這意味著在高峰時段，可能會出現電力供應不足的情況，需要采取措施來確保電力供應的穩定性。
2.電網安全穩定運行風險增加：風電、光伏和電化學儲能技術都依賴于電力電子設備進行并網。這些設備缺乏轉能慣量，不具備支撐電網大規模輸送電力的能力，因此可能對電網的安全穩定運行產生重大影響。
3.新能源大規模高比例的并網問題：可再生能源的裝機容量往往遠超過最大負荷需求，現有靈活電源的調節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。
這些挑戰將隨著風電和光伏裝機容量的增加而日益嚴峻。解決這些問題需要采取創新的措施，包括發展更強大的儲能技術、智能電網管理系統，以及采用多元化的可再生能源發電技術。
光伏發電和光熱發電代表了太陽能發電領域兩種不同的技術路徑。光伏發電將太陽光的低能量密度直接轉化為直流電，然后通過逆變器將電能并網，實現電力供應。這一技術的優勢眾多，包括簡單、低成本、對環境要求不高，以及能夠在各種地點安裝和維護的便捷性。然而，光伏發電有一個顯著的弱點，即電力產生完全依賴于太陽光的可用性。
相比之下，光熱發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，但通過將其數百倍地聚焦，可以實現更高的能量密度。光熱發電系統中使用的儲能介質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。這種熔鹽儲能系統的優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，這種鹽非常穩定，不會氧化，也不會發生爆炸。
光熱發電技術和熔鹽儲能系統的發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，解決了光伏發電的波動性問題，確保了連續供能。這種創新有望在未來的清潔能源領域中發揮關鍵作用，促進更可持續的能源生產和利用，為我們實現能源轉型和減少碳排放提供了有力支持。光伏發電和光熱發電代表了太陽能發電技術的兩個重要方向，各自在不同應用和場景中發揮作用，共同推動了清潔能源的發展。
第一代光熱發電技術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。第二代光熱發電技術如圖2所示，一般太陽能熱水器的聚焦倍數較低，通常不超過80倍，而這項新一代技術能夠將聚焦倍數提高到一千倍，甚至可以通過軟件調整到兩千倍。這一技術使用大量的鏡子，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。該技術巧妙地將能源的收集和儲存結合在一起，后續步驟與傳統的煤電發電方式相似，即將高溫的熱能與水進行換熱，通過蒸汽發生器獲得高溫高壓的過熱蒸汽，以用于推動汽輪機發電。目前，這項技術已經實現了高達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
光熱發電技術存在一個重要挑戰，即太陽輻射能不穩定與電網穩定用電需求之間的矛盾，但利用熔鹽儲能系統可以克服這一問題。熔鹽儲能具備多重優勢，包括更低的成本、長期可靠的壽命、無爆炸風險，以及全生命周期的環保性，這使得熔鹽儲能成為一個具有廣泛應用前景的替代方案。
當前，中國電網主要依賴煤電，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峰的主力電源。然而，光熱的調節能力優于煤電。煤電的調節能力受到限制，主要是由于鍋爐性能難以將負荷降至較低水平。即使進行深度調峰改造，大多數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定供電。相比之下，光熱發電非常容易降低到15%的最低負荷。此外，煤電系統的負荷調節速度較慢，因鍋爐慣性較大，通常需要一個小時或更長時間才能實現從50%升至100%的調節。而光熱發電系統的調節速度更快，通常在20分鐘內就能實現。
光熱發電技術在低碳清潔能源領域表現出卓越的性能，其全生命周期的電力碳排放量僅為光伏發電的五分之一，而熔鹽儲能的低成本和環保特性使其能夠實現大規模、低成本的能源儲存，同時調節能力強于傳統火力發電。因此，光熱發電技術對于構建高比例可再生能源的電力系統和確保電網安全運行具有重要意義。
二、塔式光熱發電系統及其控制難點
圖3是一個經過簡化的塔式光熱發電工藝流程圖，從右到左依次展示了各個部分。最右側是傳統的汽輪機，經過必要的簡化處理。最左側是進口處的聚光集熱系統，用來將低密度的太陽光聚焦，將其轉化為高溫熱能。在中間部分是熔鹽儲熱系統，其中包括兩個鹽罐，一個是低溫罐，另一個是高溫罐。這個系統產生高溫高壓的蒸汽，其參數通常在13.7MPa、545℃左右。
圖3 典型塔式光熱發電系統簡化工藝流程圖
光熱發電的核心挑戰之一是鏡場控制技術。這一技術面臨三個主要問題：首先，鏡場規模龐大。一個光熱電站的鏡場通常包含超過50萬個電控點，遠遠超出常規控制系統的控制規模。其次，對可靠性要求非常高，鏡場面積廣闊，需要在極端自然環境條件下正常運行，包括高溫、低溫、風沙和雷電等。一些控制系統必須在特定恒溫恒濕的機房內運行，但光熱鏡場的巨大規模和開放性環境使得這種特殊處理不現實。第三，需要長期保持精確控制，但監控和維護難度較大。光熱發電系統還需要解決能量損失問題，由于云層或陰天經常出現，導致表面溫度急劇變化，對設備構成熱應力，因此需要精確的溫度控制以防止設備損壞。此外，避免鏡子失焦也是關鍵，否則可能導致熱能聚焦在不應照射的地方，對設備造成損害。
此外，光熱發電領域還面臨著極高的精度要求，如圖4所示。通常，控制系統需要能夠檢測誤差并通過控制規律進行調整，以減少偏差和消除余差。然而，在光熱發電的復雜應用場景下，無法實現閉環控制，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，這對控制系統的操作構成了挑戰。光熱發電站需要具備大規模和經濟性，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向變化、風速和不確定性以及氣象因素時，鏡場的控制就變得非常復雜。
圖4 鏡場高精度聚光示意圖
在高精度控制方面，需要強調的是，如果不是專業的控制工程師來負責鏡場控制，早上和下午的光斑分布會出現顯著的差異。光斑有的區域非常明亮，而有的區域非常昏暗。高亮度區域很容易導致熔鹽氣化，而一旦熔鹽溫度超過600度，將進入一種惡性循環。外部聚焦光投射到這些區域時，一旦熔鹽不能有效帶走熱量，會導致不銹鋼吸熱管熔化。但如果聚光倍數很低，有可能在吸熱器的進鹽口發生嚴重的堵管生產事故。因此，光熱發電的高精度控制對于確保安全和高效運行至關重要。
光熱電站通常位于沙漠、戈壁和荒漠地區，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的人前往。因此，確保光熱電站能夠全自動運營成為關鍵因素。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雜得多。因此，實現全自動運營對于提高光熱電站的產能和降低成本具有重要意義。
光熱電站涉及多個關鍵組件，包括鏡場、吸熱系統、儲換熱系統，這些組件需要進行順序控制、連續控制以及校正的自適應控制。如圖5所示，由于光熱發電涉及多個環節，通常工程師都會采取保守的設計方法，為每個環節留有一些裕量，這導致了光能轉化為電能的效率明顯降低，同時也增加了投資成本。優化的空間在于設計和運行階段，通過降低設計的裕度來降低投資成本，并通過提高光電轉化效率來提高發電效率。以50MW電站為例，設計點初始設計效率為22%，但實際測量效率為24.2%，提高了10%。這是因為在設計中為每個環節留有過多的余量，導致設計效率較低。因此，在設計和運行階段都存在優化的潛力，以提高太陽能的利用效率，減少浪費。目前，塔式光熱發電作為新一代的發電技術，發電效率約為16-17%，實際光能轉化為電能的比例相對較低，大部分太陽能被浪費。
圖5 光-電轉化環節
三、塔式光熱發電系統軟件
光熱電站存在與IT技術也息息相關。首先，網絡架構非常龐大，一旦網絡中斷，數萬面的定日鏡會在幾分鐘內失靈，導致光線偏離焦點。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確預測。在光熱電站中，成千上萬面的鏡子由于細微的經緯度和海拔差異，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的計算能力大幅增強，與20年前相比，現在能夠更輕松地計算每個定日鏡在第二天每隔數秒的太陽高度角，而不需要使用大型超級計算機。
光熱電站采用分層式網絡架構，如圖6所示，DCS系統用于整個電廠的控制，而鏡場控制系統則采用一種分層的網絡結構，支持多達10萬臺日光鏡，約有60萬個數據點。加上常規控制系統的2萬個數據點，總計達到62萬個數據點，這可以覆蓋超過300萬平方米的聚光面積，年發電量可達10億度電。此外，系統還包括氣象檢測和校正系統。氣象檢測系統用于制定云策略，以最大程度地提高太陽光的利用效率，并監測大風等惡劣天氣條件，確保設備安全運行。校正系統采用自動標定技術，使安裝過程中的精度要求降低，而后使用校正軟件和數碼相機來實現自動校準。這種自動校準技術大幅提高了校正過程的效率，避免了大量的人工干預。
圖6 塔式光熱電站系統架構
塔式太陽能熱發電系統的軟件可以分為多個類別，包括高精度校正系統軟件、監控系統軟件、云檢測軟件、仿真培訓軟件和運營優化平臺軟件。這些軟件的功能包括鏡場管理、能量管理、氣象監控與預測、操作培訓、運行優化和性能分析。當前的系統在精度方面已經實現了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5000臺的定日鏡，其對定日鏡利用率的影響在1%以內。
圖7展示了監控軟件不同的鏡子狀態。吸熱器在光熱發電中扮演著核心角色，它需要在高溫、高熱應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，在第二天的預熱過程中會導致堵塞。監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，減少對發電量的影響。
圖7 監控系統軟件
云預測系統在多云天氣下提高發電量方面發揮著非常重要的作用，沒有云預測系統，即使使用出色的軟件也無濟于事。此外，還有仿真培訓系統，用于培訓操作員。運營優化平臺軟件包括運營分析功能、設備診斷功能和操作考核功能。操作員的運行水平與發電量之間存在著很大的關聯，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，三種軟件的可視化界面如圖8所示。
圖8 云預測、仿真、運營軟件
四、應用情況介紹
圖9展示了中國首批光熱發電示范項目——青海中控德令哈50MW項目，這個項目于2016年啟動，2018年按計劃成功并網發電。到目前為止，它是全球新一代光熱發電技術路線中的第一個，也是唯一一個達到了設計要求的項目。在2020年2月新冠疫情最嚴重時，它連續13天不停機發電，表現出其在應對挑戰方面的卓越能力。
圖9 青海中控德令哈50MW項目現場
相對于光伏技術，雖然可勝技術在光熱發電領域發展較晚，存在一些技術尚不成熟的問題，但目前已成為全球唯一一家業績超過1GW的第二代光熱發電技術提供商，總裝機容量已經達到1.26GW。此外，中標率也非常可觀，上半年超過70%，年均達到60%左右，如圖10所示，這顯示了光熱發電在市場的受歡迎程度。
圖10 項目業績
光熱發電技術對于建設高比例的可再生能源電力系統、確保電網的安全和穩定運行具有重要意義，而塔式太陽能發電技術憑借其高效率和良好的經濟性被認為是最有前景的光熱發電技術。在這一領域中，控制系統扮演著核心角色，可勝技術研發的新一代光熱發電控制軟件系統已成功應用于多個項目，能夠實現大規模定日鏡場的集群控制，確保電站的穩定運行，同時提高電站的發電效率。這一系統為構建新型電力系統和實現“雙碳”目標提供了關鍵支持，有望推動清潔能源的發展和碳減排目標的實現。
*本文根據作者在2023國家工業軟件大會上所作報告速記整理而成
