太阳城集团

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一种光热电站的聚光场控制系统及其实现方法.pdf

摘要
申请专利号:

太阳城集团CN201510720124.1

申请日:

2015.10.30

公开号:

CN105241092A

公开日:

2016.01.13

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):F24J 2/40申请日:20151030|||公开
IPC分类号: F24J2/40 主分类号: F24J2/40
申请人: 东方电气集团东方锅炉股份有限公司
发明人: 何杰; 奚正稳; 华文瀚; 孙登科
地址: 643001四川省自贡市自流井区五星街黄桷坪路150号
优先权:
专利代理机构: 成都九鼎天元知识产权代理有限公司51214 代理人: 杨永梅
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法律状态
申请(专利)号:

CN201510720124.1

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2018.03.13|||2016.02.10|||2016.01.13

法律状态类型:

太阳城集团授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

太阳城集团本发明涉及光热电站中的聚光场控制技术领域,本发明公开了一种光热电站的聚光场控制系统,其具体包括若干台聚光镜、以及与该若干台聚光镜对应的聚光镜控制器,聚光镜控制器连接聚光镜的转轴控制电机,多台聚光镜构成一簇,每个簇设置一个簇控制器,多个聚光镜簇构成一个组,每个组设置一个组控制器,多个聚光镜组构成一个岛,每个岛设置一个岛控制器;聚光场上位机连接多个岛控制器;由各层控制器负责计算本层的公共太阳城集团,并将本层数据打包压缩,逐层向上汇总至聚光场上位机。该控制系统的建立,使得上位机的计算压力减小,并显著地提高了通信的实时性、可靠性。本发明还公开了光热电站聚光场控制的实现方法。

权利要求书

权利要求书
1.  一种光热电站的聚光场控制系统,其特征在于具体包括聚光镜、以及与该聚光镜对应的聚光镜控制器,聚光镜控制器连接聚光镜的转轴控制电机,多台聚光镜构成一簇,每个簇设置一个簇控制器,多个聚光镜簇构成一个组,每个组设置一个组控制器,多个聚光镜组构成一个岛,每个岛设置一个岛控制器;聚光场上位机连接多个岛控制器;由各层控制器负责计算本层的公共太阳城集团,并将本层数据打包压缩,逐层向上汇总至聚光场上位机。

2.  如权利要求1所述的光热电站的聚光场控制系统,其特征在于所述系统还包括角度检测传感器,所述角度检测传感器设置在聚光镜上,用于检测聚光镜镜面的俯仰角,并将俯仰角信号发送给聚光镜控制器,通过聚光镜控制器逐层向上汇总至聚光场上位机。

3.  如权利要求2所述的光热电站的聚光场控制系统,其特征在于所述角度检测传感器中设置加热元件,所述加热元件在温度低于设定阈值时闭合工作。

4.  如权利要求1或者2所述的光热电站的聚光场控制系统,其特征在于所述系统还包括聚光镜初始参数检测仪,所述聚光镜初始参数检测仪用于在聚光镜投入正常工作前对其方位角、机械零点参数进行测量,并通过网络接口传至当前检测的聚光镜控制器,通过聚光镜控制器逐层向上汇总至聚光场上位机。

5.  如权利要求1或者2所述的光热电站的聚光场控制系统,其特征在于所述系统还包括聚光镜运行参数校正仪,所述聚光镜运行参数校正仪用于在聚光镜长期运行后对其机械角度偏差参数进行测量,并通过网络接口传至当前检测的聚光镜控制器,通过聚光镜控制器逐层向上汇总至聚光场上位机。

6.  如权利要求2所述的光热电站的聚光场控制系统,其特征在于所述系统还包括气象仪,所述气象仪用于检测气象,并通过网络接口传至聚光场上位机。

7.  如权利要求2所述的光热电站的聚光场控制系统,其特征在于所述系统还包括云层监测仪,所述云层监测仪用于监测云层,并通过网络接口传至聚光场上位机。

8.  如权利要求2所述的光热电站的聚光场控制系统,其特征在于所述系统还包括电站DCS,所述聚光场上位机与电站DCS之间采用通讯连接,聚光场上位机服从电站DCS的调度,所述电站DCS管理调度聚光场系统、吸热系统、蓄热系统、换热系统、汽轮机系统以及发电系统在内的电站系统。

9.  如权利要求2所述的光热电站的聚光场控制系统,其特征在于所述簇控制器与聚光镜控制器之间采用通讯方式连接,通讯协议为总线协议;组控制器采用单片机或PLC,组控制器与簇控制器采用通讯方式连接;岛控制器采用PLC或DCS,岛控制器与组控制器采用通讯方式连接,通信介质采用光纤;聚光场上位机与岛控制器采用通讯方式连接,通信介质为双绞线、同轴电缆或光纤。

10.  一种光热电站的聚光场控制实现方法,其具体包括以下的步骤:步骤一、将多台聚光镜设置成一簇,每个簇设置一个簇控制器,多个聚光镜簇设置成一个组,每个组设置一个组控制器,多个聚光镜组设置成一个岛,每个岛设置一个岛控制器;聚光场上位机连接多个岛控制器;步骤二、由各层控制器负责计算本层的公共太阳城集团,并将本层数据打包压缩,逐层向上汇总至聚光场上位机。

说明书

说明书一种光热电站的聚光场控制系统及其实现方法
技术领域
本发明涉及光热电站控制技术领域,特别是涉及一种光热电站的聚光场控制系统及其实现方法。
背景技术
随着煤、石油、天燃气等能源的日益枯竭,市场对清洁能源的需求量不断增大,太阳能光热发电越来越受到人们的重视。目前太阳能光热发电主要分为塔式、槽式、菲涅尔式。其发电基本原理是利用大规模阵列平面镜、抛物镜面、或碟形镜面等聚光镜面构成的聚光场来收集太阳热能,通过换热装置提供蒸汽,由汽轮机带动发电机进行发电。
聚光场是光热电站的能量收集端,规模大、聚光镜数量多、投资成本高,是其主要特点。据现有项目太阳城集团,聚光场投资占到整个电站投资的48%以上。为保证聚光场高效工作,需要不断调整各个聚光镜的角度,使得聚光镜能把太阳辐射能最大化反射到集热装置上,这就需要借助自动控制系统对聚光镜面角度进行实时控制。在聚光场中,聚光场控制系统主要负责对整个光场的工作状态进行监视、对各个聚光镜的工作参数进行设置、对整个聚光场进行工作模式设定及安全连锁保护等控制管理。
现有技术中存在的问题:
1、现有光热电站聚光场控制系统通常针对镜场,由于镜场与吸热器关系十分密切,将镜场和吸热器控制系统分开,有较大的安全风险;
2、现有光热电站聚光场控制系统未形成整体网络系统,比如定日镜初始参数检测、长期运行校正等独立于控制网络,自动化程度低、检测效率低;
3、现有控制系统中使用的控制器件,如大规模的使用PLC、DCS控制器,价格昂贵,且资源浪费;
4、现有控制系统中使用的传感器,如大规模的使用编码器、磁条传感器等,价格昂贵,寿命短,安装维护困难,对环境耐受性较差;
5、现有控制系统中较多的使用集中控制方案,聚光场上位机运算负荷较重;
6、现有控制系统中网络结构层数较少,不利于组建大型聚光场控制网。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的聚光场控制系统存在的上述问题,提供了一种光热电站的聚光场控制系统及其实现方法,逐一进行解决。
本发明的技术方案如下:
本发明公开了一种光热电站的聚光场控制系统,其具体包括聚光镜、以及与该聚光镜对应的聚光镜控制器,聚光镜控制器连接聚光镜的转轴控制电机,多台聚光镜构成一簇,每个簇设置一个簇控制器,多个聚光镜簇构成一个组,每个组设置一个组控制器,多个聚光镜组构成一个岛,每个岛设置一个岛控制器;聚光场上位机连接多个岛控制器;由各层控制器负责计算本层的公共太阳城集团,并将本层数据打包压缩,逐层向上汇总至聚光场上位机。本发明提出的控制系统结构,采用了分层网络方案,各层可结合现场实际采用不同的网络协议,组网规模大,易于扩展,聚光镜数量规模易到达几十万面,设置多层网络结构的控制系统后,数据经过层层整理,能有效避免数据碎片对网络形成阻塞,提高了数据传输的可靠性与实时性,在控制系统各个部分分层采用适用于本层的控制硬件及网络介质,使得整个聚光场控制系统成本有效降低;簇控制器、组控制器、岛控制器使用提高了聚光场的自动化水平,降低了调试和维护的工作量。其中多个可以是3个、5个、10个甚至255个等等任意选择的多个,具体个数本领域的技术人员可以根据通信协议的不同以及需要进行灵活选择,在此不进行限定。
更进一步地,上述系统还包括角度检测传感器,所述角度检测传感器设置在聚光镜上,用于检测聚光镜镜面的俯仰角,并将俯仰角信号发送给聚光镜控制器,通过聚光镜控制器逐层向上汇总至聚光场上位机。以加速度传感器为核心的聚光镜俯仰角度检测传感器的大规模使用,能有效降低控制系统成本,例如传统的角度检测元件绝对值编码器成本为几千元,而本控制系统的角度传感器成本仅为几百元。
更进一步地,上述角度检测传感器中设置加热元件,所述加热元件在温度低于设定阈值时闭合。在传感器中设置加热元件,在严寒冬季可通过加热提高设备耐受性;同时易于安装维护。
更进一步地,上述系统还包括聚光镜初始参数检测仪,所述聚光镜初始参数检测仪用于在聚光镜投入正常工作前对其方位角、机械零点参数进行测量,并通过网络接口传至当前检测的聚光镜控制器,通过聚光镜控制器逐层向上汇总至聚光场上位机。大大提高了聚光场控制初始参数的检测效率。
更进一步地,上述还包括聚光镜运行参数校正仪,所述聚光镜运行参数校正仪用于在聚光镜长期运行后对其机械角度偏差参数进行测量,并通过网络接口传至当前检测的聚光镜控制器,通过聚光镜控制器逐层向上汇总至聚光场上位机。可在聚光场工作期间,对聚光镜进行参数校正,提高了校正效率。
更进一步地,上述还包括气象仪,所述气象仪用于检测气象,并通过网络接口传至聚光场上位机。不需要铺设专用电缆到聚光场上位机,联网方便,降低了控制系统成本。
更进一步地,上述系统还包括云层监测仪,所述云层监测仪用于监测云层,并通过网络接口传至聚光场上位机。能及时有效的将云层太阳城集团传输到控制系统内作为聚光场的前馈控制信号,极大的提高了系统的安全性。
更进一步地,上述系统还包括电站DCS,所述聚光场上位机与电站DCS之间采用通讯连接,聚光场上位机服从电站DCS的调度,所述电站DCS管理调度聚光场系统、吸热系统、蓄热系统、换热系统、汽轮机系统以及发电系统在内的电站系统。避免聚光场系统与其他系统之间因为缺乏通讯与控制调度管理而导致设备故障。
更进一步地,上述簇控制器与聚光镜控制器之间采用通讯方式连接,通讯协议为CAN、ModBus等总线协议。组控制器采用单片机或PLC,组控制器与簇控制器采用通讯方式连接;岛控制器采用PLC或DCS,岛控制器与组控制器采用通讯方式连接,通信介质采用光纤;聚光场上位机与岛控制器采用通讯方式连接,通信介质为双绞线、同轴电缆或光纤。根据需要灵活选择不同的通信协议和数据传输方式。
本发明还公开了一种光热电站的聚光场控制实现方法,其具体包括以下的步骤:步骤一、将多台聚光镜设置成一簇,每个簇设置一个簇控制器,多个聚光镜簇设置成一个组,每个组设置一个组控制器,多个聚光镜组设置成一个岛,每个岛设置一个岛控制器;聚光场上位机连接多个岛控制器;步骤二、由各层控制器负责计算本层的公共太阳城集团,并将本层数据打包压缩,逐层向上汇总至聚光场上位机。
通过采用以上的技术方案,本发明的有益效果包括:
1、本发明提出的控制系统结构,采用了分层网络方案,各层可结合现场实际采用不同的网络协议,组网规模大,易于扩展,聚光镜数量规模易到达几十万面;
2、设置多层网络结构的控制系统后,数据经过层层整理,能有效避免数据碎片对网络形成阻塞,提高了数据传输的可靠性与实时性;
3、在控制系统各个部分分层采用适用于本层的控制硬件及网络介质,使得整个聚光场控制系统成本有效降低;
4、簇控制器、组控制器、岛控制器的使用提高了聚光场的自动化水平,降低了调试和维护的工作量;
5、以加速度传感器为核心的聚光镜俯仰角度检测传感器的大规模使用,能有效降低控制系统成本,例如传统的角度检测元件绝对值编码器成本为几千元,而本控制系统的角度传感器成本仅为几百元;同时在传感器中含有加热元件,在严寒冬季可通过加热提高设备耐受性;同时易于安装维护;
6、本发明采用了聚光镜初始参数标定仪,大大提高了聚光场控制初始参数的检测效率;
7、本发明采用了聚光镜运行参数校正仪,可在聚光场工作期间,对聚光镜进行参数校正,提高了校正效率;
8、本发明采用了云层监测仪监视电站上空云层太阳城集团,能及时有效的将云层太阳城集团传输到控制系统内作为聚光场的前馈控制信号,极大的提高了系统的安全性;
9、气象仪、云层监测仪、聚光镜初始参数检测仪、聚光镜运行参数校正仪通过网络就近接入控制系统,不需要铺设专用电缆到聚光场上位机,联网方便,降低了控制系统成本。
附图说明
图1为本发明的光热电站的聚光场控制系统的结构示意图,其中1为电站DCS(分布式控制系统的英文缩写(DistributedControlSystem),在自控行业又称之为集散控制系统),2为聚光场上位机,3为岛控制器,4为组控制器,5为簇控制器,6为聚光镜控制器,7为聚光镜。
具体实施方式
下面结合说明书附图,详细说明本发明的具体实施例。
随着光热发电系统的技术发展和电站容量增加,聚光场中聚光镜规模逐渐扩大,一个聚光镜场的聚光镜数量可以达到数万面甚至几十万面,例如,在美国的新月沙丘塔式电站中,用到了10347面聚光镜,在美国的伊万帕塔式电站中,聚光镜数量高达175000面。对于每台聚光镜而言,在不同时刻都有着独立的运动轨迹与参数,需要一个“大脑”进行控制;同时每台聚光镜的通信数据约为几十个字节,通信数据量小,这些数据需要时刻上传至聚光镜场上位机,因此导致聚光镜场通讯接入点数量大,数据碎片多。如果给每台聚光镜配备一台独立的高性能控制器,这将使得聚光场成本急剧上升。
针对此,本发明提出了一种分层结构的控制系统网络,由各层控制器负责计算本层的公共太阳城集团,并将本层数据打包压缩,逐层向上汇总至聚光场上位机。
如图1所示的本发明的光热电站的聚光场控制系统的结构示意图,该系统包括若干聚光场上位机2、若干岛控制器3、若干组控制器4、若干簇控制器5、若干聚光镜控制器6。每台聚光镜7设置一个聚光镜控制器6,聚光镜控制器6连接聚光镜7的转轴控制电机;多台任意排列的聚光镜构成一簇,每个簇设置一个簇控制器5;多个聚光镜簇构成一个组,每个组设置一个组控制器4;多个聚光镜组构成一个岛,每个岛设置一个岛控制器3;聚光场上位机2连接多个岛控制器3;聚光场上位机2与电站DCS1进行通信。
本发明提出的岛控制器、组控制器、簇控制器将聚光场庞大的运算负荷进行了分摊,并将每台聚光镜的太阳城集团逐层整理,实时汇总至聚光场上位机;该控制系统的建立,使得控制系统成本得到了优化,并显著地提高了通信的实时性、可靠性。
角度检测传感器
角度检测传感器为聚光镜的俯仰角度检测器件,采用单片机作为控制核心,与聚光镜控制器通信,以加速度传感器为基本原理,角度检测传感器中内含加热元件,如加热电阻,并在温度低于器件工作或储存温度时自动升温。
聚光镜控制器
聚光镜控制器接受来自簇控制器的本面聚光镜的目标角度,通过驱动装置,驱动聚光镜的俯仰电机与旋转电机带动镜面转动至目标位;并接收来自聚光镜俯仰方向与旋转方向(仍可采用现有的编码器的方式实现,不属于本发明的改进点)的角度反馈信号,将该信号与驱动器的太阳城集团实时反馈至簇控制器。
簇控制器
簇控制器采用单片机为控制核心,接受来自组控制器的太阳城集团,计算本簇内各聚光镜面的目标角度,并将该角度太阳城集团下传至镜控制器。同时簇控制器接收簇内聚光镜控制器的太阳城集团,将簇内太阳城集团整理上传至组控制器。
组控制器
组控制器配备交换机等网络设备,接受来自岛控制器的太阳城集团,将该太阳城集团解析下传至簇控制器;并接收本组内所有簇控制器上传的太阳城集团,进行整理后将本组内所有簇的控制太阳城集团上传至岛控制器。
岛控制器
岛控制器以DCS或大型PLC为核心控制器,并配备交换机等网络设备,接受来自聚光场上位机的太阳城集团,将该太阳城集团解析下传至组控制器;并接收本岛内所有组控制器上传的太阳城集团,进行整理后将本岛内所有组的控制太阳城集团上传至聚光场上位机。
聚光场上位机
聚光场上位机接受来自电站控制系统的调度信号,同时接收来自各个组控制器上传的控制太阳城集团,上位机结合当前气象条件、云层太阳城集团、聚光场太阳城集团等,对全光场实时统一调度管理。聚光场上位机外接GPS精确计时模块,并向全光场发送唯一标准太阳城集团。
聚光镜初始参数检测仪
聚光镜初始参数检测仪,是在聚光镜投入正常工作前对其方位角、机械零点等参数进行测量的仪器,该仪器配备相应网络接口,可就地接入控制系统。取得测量值后通过网络传至当前检测的聚光镜簇控制器进行存储。
聚光镜运行参数校正仪
聚光镜运行参数校正仪,是在聚光镜长期运行后由于地基沉降、镜架倾斜对其机械角度偏差等参数进行测量的仪器,该仪器配备相应网络接口,可就地接入控制系统。取得测量值后通过网络传至当前检测的聚光镜簇控制器进行存储。
气象仪
气象仪器含风速风向测量仪、太阳总辐射计、太阳直接辐射计、温湿度计、大气压力传感器等。气象仪配备网络接口,可就地接入控制系统,上传至聚光场上位机。
云层监测仪
云层监测仪用于电站运行期间对云层的位置和形状进行在线监测,将监测到的太阳城集团接入到控制系统中作为聚光场控制系统的前馈信号,保证设备的安全。
按照本发明所述控制系统结构,若在镜控制器与簇控制器间采用CAN通讯协议,一个簇可包含10个镜控制器;簇控制器与组控制器间采用CAN或者TCP/IP协议,一个组可包含至少100个簇控制器,组控制器与岛控制器采用TCP/IP协议,一个岛可包含255个组控制器,因此一个岛控制器管理的定日镜数量为10×100×255=255000面,多个定日镜岛,可满足超大型聚光场的需要。
本发明公开了一种光热电站的聚光场控制系统,其具体包括若干台聚光镜、以及与该若干台聚光镜对应的聚光镜控制器,聚光镜控制器连接聚光镜的转轴控制电机,多台聚光镜构成一簇,每个簇设置一个簇控制器,多个聚光镜簇构成一个组,每个组设置一个组控制器,多个聚光镜组构成一个岛,每个岛设置一个岛控制器;聚光场上位机连接多个岛控制器;由各层控制器负责计算本层的公共太阳城集团,并将本层数据打包压缩,逐层向上汇总至聚光场上位机。该控制系统的建立,使得控制系统成本得到了优化,并显著地提高了通信的实时性、可靠性。
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

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一种 光热 电站 聚光 控制系统 及其 实现 方法
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