專利名稱：塔式太陽能熱發(fā)電廠定日鏡場控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡領(lǐng)域，具體涉及塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的大規(guī)模定日鏡場控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)利用定日鏡跟蹤太陽，使其反射光能夠精確地投射到置于接收塔頂部的吸熱器換熱面上，吸熱器將太陽光能轉(zhuǎn)變成熱能并加熱盤管內(nèi)流動著的介質(zhì)(水或其它流體)產(chǎn)生中高溫蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。目前已建成的八達嶺塔式太陽能實驗電站為國內(nèi)已投產(chǎn)的最大規(guī)模塔式太陽能熱發(fā)電站，裝機容量1MW，全廠共設(shè)置一百多面定日鏡，該工程定日鏡鏡場投資額占整個電廠投資92%，成本過于昂貴，且控制系統(tǒng)效率不高，極大的制約了該技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用前景。因此現(xiàn)階段在我國推進太陽能定日鏡鏡場建設(shè)高性價比和大規(guī)模利用技術(shù)的研究與創(chuàng)新，對于實施能源戰(zhàn)略和完善能源結(jié)構(gòu)具有深遠意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、能夠真正實現(xiàn)商業(yè)化的塔式太陽能熱發(fā)電廠定日鏡場控制系統(tǒng)。為達到上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:塔式太陽能熱發(fā)電廠定日鏡場控制系統(tǒng)，包括若干上位機、若干定日鏡行控制器、若干定日鏡組控制器、若干定日鏡控制器和若干定日鏡；若干定日鏡呈多行排布，每行分成若干組組，每組包括若干定日鏡；每行定日鏡對應(yīng)設(shè)置一個定日鏡行控制器，每組定日鏡對應(yīng)設(shè)置一個定日鏡組控制器，每個定日鏡對應(yīng)一個定日鏡控制器；上位機連接所有定日鏡行控制器，定日鏡行控制器連接對應(yīng)行內(nèi)的多個定日鏡組控制器，定日鏡組控制器連接對應(yīng)組內(nèi)的多個定日鏡控制器，每個定日鏡控制器連接一個對應(yīng)定日鏡；定日鏡上安裝有高度軸步進電機和方位軸步進電機，所述定日鏡控制器連接對應(yīng)定日鏡的高度軸步進電機和方位軸步進電機。本發(fā)明進一步的改進在于:定日鏡的高度軸和方位軸上安裝有霍爾開關(guān)傳感器。本發(fā)明進一步的改進在于:所述定日鏡控制器為單片機。本發(fā)明進一步的改進在于:所述定日鏡組控制器采用非冗余配置的DCS控制器或中小型PLC。本發(fā)明進一步的改進在于:定日鏡行控制器采用冗余配置的DCS控制器或大型PLC。本發(fā)明進一步的改進在于:所述上位機連接定日鏡運算服務(wù)器、太陽方位運算服務(wù)器、存儲服務(wù)器、監(jiān)控采集設(shè)備、GPS和氣象參數(shù)測量設(shè)備。本發(fā)明進一步的改進在于:定日鏡運算服務(wù)器用于計算出鏡場中每面定日鏡當天內(nèi)每個控制時刻的定日鏡聚光數(shù)據(jù)，并將該定日鏡聚光數(shù)據(jù)存儲在存儲服務(wù)器中；上位機從存儲服務(wù)器中獲取定日鏡聚光數(shù)據(jù)向定日鏡行控制器下發(fā)定日鏡控制指令。本發(fā)明進一步的改進在于:在高度軸步進電機和方位軸步進電機安裝前，采用光電編碼器對定日鏡負載情況下的高度軸步進電機和方位軸步進電機提前進行檢測，只有達到設(shè)計的精度要求時才進行安裝。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:本發(fā)明提出了適用于數(shù)量規(guī)模達到幾萬面的定日鏡鏡場控制系統(tǒng)，可以優(yōu)化整個控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、減小網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)負荷、大幅降低控制系統(tǒng)建造成本，能很好的滿足大規(guī)模定日鏡的高精度控制，最大程度的體現(xiàn)控制分散、管理集中的原則，具有高可靠性和可用性，可用于建造50MW以上的商業(yè)化塔式太陽能熱發(fā)電機組。將整個鏡場大量定日鏡從整體到局部實現(xiàn)分層控制，可大面積減少控制器數(shù)量；使用低成本單片機控制單面定日鏡，能有效的降低控制成本；將控制策略置于鏡場上位機內(nèi)，降低控制器運算負荷，減小網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)量；對定日鏡步進電機提前檢測，以取代在每面定日鏡安裝編碼器，降低成本；在定日鏡轉(zhuǎn)軸上安裝霍爾開關(guān)傳感器，可用于檢測定日鏡是否調(diào)整在固定位置。


圖1是本發(fā)明塔式太陽能熱發(fā)電廠定日鏡場控制系統(tǒng)示意圖。
具體實施方式
:以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。商業(yè)化塔式太陽能熱發(fā)電機組中，定日鏡場的定日鏡數(shù)量可達到幾萬面之多，為了實現(xiàn)聚光過程，每面定日鏡在不同時刻都要控制其獨立的跟蹤位置和聚光角度。如果每面定日鏡獨立自主控制，需要使用幾萬臺運算性能較好的控制器，使整個鏡場控制系統(tǒng)建造成本急劇上升。同時，大量控制指令若由控制上位機直接下發(fā)定日鏡控制器，會超過網(wǎng)絡(luò)通信傳輸承受能力，造成數(shù)據(jù)擁塞、丟失等嚴重后果。因此，本發(fā)明按照控制分散、管理集中的原則，提出分布式驅(qū)動調(diào)度的集群控制方式來控制定日鏡鏡場。請參閱圖1所示，本發(fā)明塔式太陽能熱發(fā)電廠定日鏡場控制系統(tǒng)，包括多個上位機1、多個定日鏡行控制器2、多個定日鏡組控制器3、多個定日鏡控制器4和多個定日鏡5。多個上位機I正常工作時，只有一個工作，其它為冗余配置。多個定日鏡5分成多行，每行分成多組，每組包括多個；每行定日鏡對應(yīng)設(shè)置一個定日鏡行控制器2，每組定日鏡對應(yīng)設(shè)置一個定日鏡組控制器3，每個定日鏡5對應(yīng)一個定日鏡控制器4。上位機I連接所有定日鏡行控制器2，定日鏡行控制器2連接對應(yīng)行內(nèi)的多個定日鏡組控制器3，定日鏡組控制器3連接對應(yīng)組內(nèi)的多個定日鏡控制器4，每個定日鏡控制器4連接一個對應(yīng)定日鏡5。在定日鏡5工作開始之前，連接鏡場上位機I的定日鏡運算服務(wù)器分別計算出鏡場中每面定日鏡5當天內(nèi)每個控制時刻的聚光角度，定日鏡模型和軌跡的精確計算在定日鏡運算服務(wù)器中統(tǒng)一完成；然后上位機I將每行定日鏡的控制指令下發(fā)至對應(yīng)定日鏡行控制器2，由定日鏡行控制器I完成對定日鏡組控制器3、定日鏡控制器4的控制，當?shù)竭_該調(diào)整時刻時，定日鏡行控制器2下發(fā)控制指令至對應(yīng)定日鏡組控制器3，定日鏡組控制器3再下發(fā)控制指令至對應(yīng)定日鏡控制器4，定日鏡控制器4驅(qū)動定日鏡5轉(zhuǎn)動。本發(fā)明提出采用定日鏡行控制器2、定日鏡組控制器3的集群控制方案將鏡場控制分散實施，對于大規(guī)模數(shù)量的定日鏡控制，將復(fù)雜的模型算法運算過程轉(zhuǎn)移到定日鏡運算服務(wù)器進行，避免了大規(guī)模使用運算性能高的定日鏡控制器，大大節(jié)約了成本。同時，使用計算能力先進的服務(wù)器，可以保證每一面定日鏡的獨立運動軌跡都得到精確計算。同時，該方案結(jié)構(gòu)清晰，具有高可靠性和可用性。雖然鏡場定日鏡5數(shù)量巨大，但每一面定曰鏡5都在控制系統(tǒng)的實時控制和智能管理范圍中，提高了整個鏡場控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。另外，定日鏡5按照鏡行、鏡組的方式排布，為定日鏡自動化清洗過程的設(shè)計和管理提供了便利。定日鏡控制器定日鏡控制器4采用單片機作為控制核心，接收來自定日鏡組控制器3的控制命令，驅(qū)動定日鏡5電機轉(zhuǎn)動，并且實時監(jiān)控電機工作狀態(tài)和通信工作狀態(tài)，與上級定日鏡組控制器3通信，是鏡場控制系統(tǒng)的最小控制單元。定日鏡組控制器鏡組由多面定日鏡組成，定日鏡組控制器3接收來自定日鏡行控制器2的控制命令，解析、轉(zhuǎn)發(fā)該命令至該鏡組的定日鏡控制器4，實現(xiàn)對該組定日鏡5的控制，并實時監(jiān)控通信工作狀態(tài)，可采用非冗余配置的DCS控制器或中小型PLC (西門子S7-200系列或同檔次)實現(xiàn)。定日鏡行控制器鏡行是定日鏡編組的最大單位，下掛多個定日鏡組。定日鏡行控制器2接受鏡場系統(tǒng)控制上位機I的監(jiān)控，接收來自上位機I的定日鏡工作數(shù)據(jù)，與定日鏡組控制器3連接，下發(fā)該鏡行定日鏡的控制命令，并實時監(jiān)控通信工作狀態(tài)，可采用冗余配置的DCS控制器或大型PLC (西門子S7-400系列或同檔次)實現(xiàn)。定日鏡行控制器2的性能設(shè)計為:①設(shè)定定日鏡每3分鐘調(diào)整一次聚光姿態(tài)，每天定日鏡工作8小時。每個鏡行下掛5個鏡組，每個鏡組10面定日鏡。則定日鏡行控制器2每次從上位機接收存儲的當日數(shù)據(jù)量達:5 X 10 X 20 X 8 X 2=16000字節(jié)，則定日鏡行控制器須支持Flash至少64K外擴。②定日鏡行控制器應(yīng)具有實時GPS時鐘系統(tǒng)，從而實現(xiàn)定日鏡實時精確聚光。鏡場控制上位機上位機I是鏡場控制系統(tǒng)的控制核心，與定日鏡運算服務(wù)器、太陽方位運算服務(wù)器、存儲服務(wù)器、監(jiān)控采集設(shè)備、GPS、氣象參數(shù)測量設(shè)備、定日鏡行控制器2等設(shè)備進行通信。本發(fā)明設(shè)計了以下幾種鏡場上位機控制方式:1、調(diào)度控制:通過控制系統(tǒng)，預(yù)設(shè)多種調(diào)度方式，合理實施定日鏡聚光調(diào)度操作。2、聚光控制:通過控制系統(tǒng)在定日鏡運算服務(wù)器中實現(xiàn)建模運算，得到太陽方位數(shù)據(jù)和定日鏡聚光數(shù)據(jù)，統(tǒng)一存儲在存儲服務(wù)器中，并根據(jù)調(diào)度方式從存儲服務(wù)器中獲取定日鏡聚光數(shù)據(jù)向鏡行控制器2下發(fā)定日鏡控制指令。3、本地參數(shù)采集:通過控制系統(tǒng)操作監(jiān)控采集設(shè)備，有效監(jiān)控鏡場狀態(tài)；通過控制系統(tǒng)使用GPS、氣象參數(shù)測量設(shè)備統(tǒng)一全場時間和采集實時氣象參數(shù)，為切換鏡場工作模式和安排定日鏡調(diào)度提供參考。4、管理和維護:通過控制系統(tǒng)，實時獲取全電站系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，接收來自電站控制系統(tǒng)的控制命令，同時進行全鏡場設(shè)備管理和維護。
5、通信調(diào)度:采用基于精確時間同步的分時通信調(diào)度方式，實現(xiàn)上位機控制指令傳輸。鏡場控制上位機通過監(jiān)控采集設(shè)備還實時監(jiān)控全鏡場通信狀態(tài)以及鏡場與電站控制系統(tǒng)通信狀態(tài)，保證通信工作正常。由于鏡場中定日鏡數(shù)量眾多，且對于定日鏡轉(zhuǎn)動精度要求高且速度要求不高(100 200r/min即可滿足)，所以采用成本較低、控制簡單的步進電機驅(qū)動定日鏡雙軸，即每面定日鏡5安裝高度軸、方位軸兩個步進電機，實現(xiàn)定日鏡高度角、方位角的調(diào)整。因為定日鏡含有鏡面、鏡架、轉(zhuǎn)軸等承重結(jié)構(gòu)，為避免電機失步、扭矩變化，本發(fā)明設(shè)計在電機安裝前，采用光電編碼器對定日鏡負載情況下的步進電機提前進行檢測，只有達到設(shè)計的精度要求，才被允許安裝。采用安裝前在負載條件下檢測步進電機傳動精度的方法，可以避免在每面定日鏡上安裝編碼器，節(jié)約大量成本，適合大規(guī)模應(yīng)用。另外，為了避免定日鏡長時間(夜間或非工作狀態(tài))處于未知姿態(tài)，機械結(jié)構(gòu)和電機扭矩發(fā)生變化，影響跟蹤精度，設(shè)計定日鏡在每天工作結(jié)束后調(diào)整定日鏡處于固定的初始姿態(tài)(如零位)。同時，在定日鏡轉(zhuǎn)軸上安裝霍爾開關(guān)傳感器用來檢測定日鏡是否調(diào)整在固定位置?；魻栭_關(guān)傳感器不受外界自然光、灰塵等干擾，成本較低，適合野外大規(guī)模定日鏡使用。本發(fā)明在單個定日鏡中，對驅(qū)動定日鏡轉(zhuǎn)動的步進電機提前檢測和加裝霍爾元件的方法，節(jié)約成本，降低造價。
權(quán)利要求
1.塔式太陽能熱發(fā)電廠定日鏡場控制系統(tǒng)，其特征在于，包括若干上位機(I)、若干定日鏡行控制器(2)、若干定日鏡組控制器(3)、若干定日鏡控制器(4)和若干定日鏡(5);若干定日鏡(5)呈多行排布，每行分成若干組組，每組包括若干定日鏡(5);每行定日鏡對應(yīng)設(shè)置一個定日鏡行控制器(2)，每組定日鏡對應(yīng)設(shè)置一個定日鏡組控制器(3)，每個定日鏡(5 )對應(yīng)一個定日鏡控制器(4 );上位機(I)連接所有定日鏡行控制器(2 )，定日鏡行控制器(2 )連接對應(yīng)行內(nèi)的多個定日鏡組控制器(3 )，定日鏡組控制器(3 )連接對應(yīng)組內(nèi)的多個定日鏡控制器(4)，每個定日鏡控制器(4)連接一個對應(yīng)定日鏡(5);定日鏡(5)上安裝有高度軸步進電機和方位軸步進電機，所述定日鏡控制器(4)連接對應(yīng)定日鏡(5)的高度軸步進電機和方位軸步進電機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔式太陽能熱發(fā)電廠定日鏡場控制系統(tǒng)，其特征在于，定日鏡(5)的高度軸和方位軸上安裝有霍爾開關(guān)傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔式太陽能熱發(fā)電廠定日鏡場控制系統(tǒng)，其特征在于，所述定日鏡控制器(4)為單片機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔式太陽能熱發(fā)電廠定日鏡場控制系統(tǒng)，其特征在于，所述定日鏡組控制器(3)采用非冗余配置的DCS控制器或中小型PLC。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔式太陽能熱發(fā)電廠定日鏡場控制系統(tǒng)，其特征在于，定日鏡行控制器(2)采用冗余配置的DCS控制器或大型PLC。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔式太陽能熱發(fā)電廠定日鏡場控制系統(tǒng)，其特征在于，所述上位機(I)連接定日鏡運算服務(wù)器、太陽方位運算服務(wù)器、存儲服務(wù)器、監(jiān)控采集設(shè)備、GPS和氣象參數(shù)測量設(shè)備。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的塔式太陽能熱發(fā)電廠定日鏡場控制系統(tǒng)，其特征在于，定日鏡運算服務(wù)器用于計算出 鏡場中每面定日鏡(5 )當天內(nèi)每個控制時刻的定日鏡聚光數(shù)據(jù)，并將該定日鏡聚光數(shù)據(jù)存儲在存儲服務(wù)器中；上位機(I)從存儲服務(wù)器中獲取定日鏡聚光數(shù)據(jù)向定日鏡行控制器(2 )下發(fā)定日鏡控制指令。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔式太陽能熱發(fā)電廠定日鏡場控制系統(tǒng)，其特征在于，在高度軸步進電機和方位軸步進電機安裝前，采用光電編碼器對定日鏡負載情況下的高度軸步進電機和方位軸步進電機提前進行檢測，只有達到設(shè)計的精度要求時才進行安裝。
全文摘要
本發(fā)明公開一種塔式太陽能熱發(fā)電廠定日鏡場控制系統(tǒng)，包括若干上位機、若干定日鏡行控制器、若干定日鏡組控制器、若干定日鏡控制器和若干定日鏡；若干定日鏡呈多行排布，每行分成若干組組，每組包括若干定日鏡；每行定日鏡對應(yīng)設(shè)置一個定日鏡行控制器，每組定日鏡對應(yīng)設(shè)置一個定日鏡組控制器，每個定日鏡對應(yīng)一個定日鏡控制器；上位機連接所有定日鏡行控制器，定日鏡行控制器連接對應(yīng)行內(nèi)的多個定日鏡組控制器，定日鏡組控制器連接對應(yīng)組內(nèi)的多個定日鏡控制器，每個定日鏡控制器連接一個對應(yīng)定日鏡。本發(fā)明適用于數(shù)量規(guī)模達到幾萬面定日鏡的鏡場控制，最大程度的體現(xiàn)控制分散、管理集中的原則，具有高可靠性和可用性。
文檔編號G05B19/418GK103217957SQ20131010272
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者仇韜, 畢建惠, 孟曉偉, 王芙蓉, 魯齊 申請人:中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院