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摘要：光熱發電具有清潔、穩定和可再生的特點，并可深度參與電網調峰調頻以提升電力系統靈活性，因而受到了世界各國的廣泛關注。然而，光熱發電系統在運行過程中受天氣情況等多種隨機擾動的影響，且本身存在非線性、大遲延和強耦合的特性以及多種運行模式，亟需研究保障該系統安全、穩定和經濟運行的技術。以槽式和塔式光熱發電系統為研究重點，首先，梳理了以能效和經濟性優化為目標的穩態建模，以及面向控制的動態建模工作。接著，總結了調度和參數優化技術。最后，綜述了槽式光熱發電系統聚光器追蹤控制、集熱場控制和整體協調控制，以及塔式光熱發電系統定日鏡場控制和吸熱器溫度控制等進展情況。此外，指出了目前尚待解決的主要問題，并對未來研究方向進行了展望，提出了可能的研究思路。該研究可為光熱發電系統優化運行技術的進一步發展提供參考。

0引言

過去幾十年來，可持續發展作為國際社會的共同目標，受到越來越多的關注。同時，為實現“雙碳”目標、促進可持續發展，我國對于可再生能源發電的需求愈發迫切。太陽能是儲量豐富的可再生能源。光熱發電技術作為當前主流的太陽能利用方式之一，不但具有清潔和可再生的優點，而且能夠利用熔鹽儲熱系統更好地克服太陽輻射的間歇性和不確定性影響；同時，由于無需經過制粉過程，光熱發電與常規燃煤發電機組相比具有更高的負荷跟蹤速率，能夠通過參與電網調峰調頻來提升電力系統靈活性。然而，光熱發電系統的集熱、儲熱和發電系統存在非線性、大遲延和強耦合特性，且容易受到太陽能間歇性和波動性的影響。另外，由于一般采用空冷方式，凝汽器背壓易受風溫、風速和風向等多源擾動影響，進而影響發電功率。因此，光熱發電系統的安全、穩定和經濟運行面臨著很大的挑戰。

本文聚焦光熱發電系統優化運行問題，以槽式和塔式光熱發電系統為研究重點，依次從建模、調度和控制這3個方面系統性總結了國內外光熱發電技術的主要進展；此外，指出了目前尚待解決的主要問題，并對未來研究方向進行了展望，提出了可供參考的研究思路。

1光熱發電系統優化運行研究概況

1.1光熱發電系統主要類型及原理

光熱發電系統通常由集熱系統、儲熱系統、蒸汽發生系統、發電系統以及各種輔助系統組成。光熱發電系統的基本原理是聚光系統通過大量反射鏡或聚光鏡將太陽能聚焦于集熱器，由集熱器吸收太陽能以加熱傳熱工質；傳熱工質通過在蒸發系統中與給水交換熱量，產生高溫蒸汽推動汽輪機做功，從而將太陽能轉化為電能。直接蒸汽發生（direct steam generation,DSG）系統通過集熱器場接收太陽輻射直接產生蒸汽，并推動汽輪機發電。當太陽能富余時，可以利用儲熱系統儲存太陽能，并在太陽能不足時釋放，從而維持系統的連續、穩定運行。

根據集熱系統聚光方式的不同，太陽能光熱發電技術可分為槽式、塔式、碟式和菲涅爾式這4種主要形式。其中：塔式和碟式通過點匯聚的方式收集太陽能；槽式和菲涅爾式以線聚焦的方式收集太陽能。

塔式光熱發電利用成千上萬獨立控制的定日鏡所組成的圓周型鏡場，將太陽光聚集到鏡場中央高達幾百米的吸熱塔接收器上，通過高能流密度的輻射來加熱介質。槽式光熱發電采用拋物面的光學元件，將平行于槽形拋物面主軸線的太陽輻射聚焦到集熱器以加熱傳熱工質。碟式光熱發電采用反射面為碟形的光學元件，通過碟型拋物面反射鏡將太陽光聚焦到接收器上。菲涅爾式光熱發電利用線性菲涅爾反射鏡陣列將太陽光聚焦到1條吸熱管上。反射鏡的設計模仿傳統拋物槽技術，但相比傳統技術，菲涅爾反射鏡使用更小、更簡單的平面鏡片，因此降低了成本。目前，光熱發電系統以槽式和塔式光熱發電系統為主。槽式光熱發電系統如圖 1 所示。

圖 1 槽式光熱發電系統圖

塔式光熱發電系統如圖 2 所示。

圖 2 塔式光熱發電系統圖

槽式和塔式光熱發電系統分別采用熔鹽間接儲熱和直接儲熱方式。目前，光熱發電技術已在世界各國得到較多應用。美國的內華達Solar One光熱發電系統是世界上較早采用塔式設計的商業光熱發電系統，之后又被改造成采用熔鹽作為吸熱和儲熱介質的電站Solar Two。國外其他正在運行或者建設的光熱項目包括西班牙的安達盧西亞塔式光熱發電系統、智利Atacama1塔式光熱發電系統、西班牙PS10塔式光熱發電系統、摩洛哥努奧三期光熱發電系統等。我國在光熱發電系統的應用方面也取得了諸多進展，已建成投運的包括中廣核德令哈50 MW槽式光熱發電系統、中控德令哈50 MW塔式光熱發電系統、首航高科敦煌100 MW塔式光熱發電系統和中電建青海共和50 MW塔式光熱發電系統等。截至2023年底，在建和擬建的光熱發電項目約43個，總裝機容量約480萬千瓦。

1.2光熱發電系統優化運行的主要目標

光熱發電系統優化運行的目標主要聚焦于提高系統運行安全及穩定性、能效及經濟性和負荷調節能力等方面。

安全及穩定性是光熱發電系統運行的基本要求。槽式集熱場出口溫度通常需要控制在400℃以內，以防止導熱油高溫分解或設備因過熱損壞；同時，應確保集熱場溫度的均勻性，以避免局部過熱。塔式吸熱器應避免區域局部過熱（如溫度超過1000℃），否則可能造成材料變形或損壞，嚴重時甚至會導致吸熱器失效。另外，需要動態調整儲熱和放熱策略，以在太陽輻射強度波動時保持發電功率穩定。

能效及經濟性直接影響光熱發電的市場競爭力。在運行階段，需要優化定日鏡或槽式反射鏡的跟蹤精度，以提高太陽能收集效率；需要對影響光熱發電系統發電功率的各種因素進行預測，并結合儲熱系統的容量和狀態，以能效或收益為優化目標進行儲熱與發電調度。相關因素包括太陽直接輻射強度（direct normal irradiance,DNI）、云量、風速、溫度等。需要注意的是，光熱發電系統整體的能源轉換效率與一些運行參數密切相關。這些參數包括槽式集熱器出口溫度、主蒸汽壓力等。這些參數的最優值隨太陽輻射量、環境溫度和運行工作點不同而變化，需要通過在線尋優使系統始終工作在最優點附近。

負荷調節能力是光熱發電系統參與電網調峰和調頻的關鍵。為提升光熱發電系統的負荷調節能力，需要研究集熱、儲熱和發電系統的協調控制策略。

1.3面臨的主要挑戰

盡管光熱發電系統已經實現了商業應用，但該系統在應用過程中仍存在連續、穩定運行困難，以及運行經濟性難以保證的問題。造成這些問題的主要原因如下。

①外部干擾大。太陽能是光熱發電系統唯一的能量來源，且具有不可控性、間歇性和不確定性。此外，環境溫度、環境風速等外部擾動也會隨時發生變化，常常使系統偏離設計工況運行，進而影響能源轉換效率，因此需要及時對系統的運行狀態作出調整。

②本身特性復雜。光熱發電系統是復雜的多變量、非線性、大遲延對象。集熱、儲熱和發電這3個子系統之間存在較強的耦合關系。集熱和儲熱系統的運行參數和狀態直接影響發電系統的過程參數和發電功率。而發電系統的運行情況會影響傳熱工質的回流溫度，從而對前端系統產生影響。通過導熱油流量控制槽式集熱場出口溫度，以及蒸汽發電系統變負荷運行等過程存在很強的非線性。多組槽式集熱單元串聯和大規模儲熱使系統具有大遲延特性。此外，槽式間接儲熱運行方式的切換，使槽式光熱發電系統存在變結構特性。

③運行要求高。一方面，集熱、儲熱和發電這3個子系統必須協同工作，以實現整個系統連續、穩定運行，并滿足電網的調峰調頻需求；同時，需要把導熱油溫度、主蒸汽溫度和壓力等過程參數嚴格控制在安全限值以內。另一方面，一些過程參數最優值（如集熱器運行溫度）隨太陽輻射量、環境溫度和運行工作點不同而變化，因而需要不斷進行在線尋優。

2光熱發電系統建模技術

建模是由目的驅動的。建模目的不同，所建模型的精度和復雜度則有很大的不同。本文著重討論面向光熱發電系統優化運行和控制的建模研究工作。相關模型主要用于研究系統整體動態特性，以及能效和經濟性優化等方面。

2.1槽式光熱發電系統建模

現有槽式光熱發電系統的模型主要包含了穩態模型和動態模型。穩態模型主要應用于系統能效和經濟性優化。Rolim等建立了槽式太陽能熱電廠的穩態分析模型，并求解了熱電廠的最大效率。Desai等建立了不包含儲能系統的槽式太陽能熱電廠的機組效率與經濟性分析模型，研究了渦輪機入口壓力、入口溫度，以及太陽輻射等參數對整體效率和平準化能源成本的影響。Sau等建立了槽式太陽能熱電廠技術/經濟評估模型，用于分析不同配置下的系統發電成本。

由于太陽輻照的間歇性與隨機性，槽式太陽能熱發電系統運行過程中存在頻繁的運行特性變化。為了深入分析系統的動態特性，進而設計有效的操作和控制器以保證系統的安全、高效運行，針對槽式太陽能熱電廠動態模型的研究紛紛開展。Montanes等在Modelica上開發了50 MW槽式光熱發電廠的動力學模型。Wang等考慮了設備的熱慣性，基于瞬時系統（transient system,TRNSYS）模擬軟件開發了位于中國西北的槽式太陽能熱電廠的詳細動力學模型，并在簡化的云層擾動條件下對太陽能場、儲熱系統和發電模塊的耦合動態特性進行了深入分析。Wei等基于質量、能量守恒定律與傳熱學機理，建立了常微分方程形式的槽式光熱電站的簡化動力學模型。該模型能夠以較高精度體現系統和設備的動態特性。

2.2塔式光熱發電系統建模

在塔式光熱發電系統穩態建模方面，Rouibah等建立了塔式光熱發電系統的性能分析模型，分析了直接法向輻照對太陽能發電廠效率的影響。Ho等將概率建模方法應用于塔式光熱發電系統性能和經濟性建模研究。概率模型可以量化系統固有的不確定性，并用于分析不確定性對系統性能和經濟性的影響。

同樣地，為了掌握塔式光熱發電系統的動態特性，從而為系統運行操作與控制設計提供依據，塔式光熱發電系統動態建模也得到了廣泛關注。Luo等面向塔式光熱發電系統開發了1個毫秒級分辨率的動力學模型以及瞬時疲勞壽命模型和需求預測模型。開發的集成模型能夠實時運行不同的控制和優化算法，同時分析對系統瞬變產生的影響。黃浩宇采用蒙特卡洛光線追跡法，結合三大守恒定律與傳熱學、熱力學基本原理，建立了50 MW塔式光熱發電系統的光熱耦合一體化動態仿真模型，并研究了外置式熔融鹽吸熱器的變工況特性和熱輸運特性。

2.3存在的不足

光熱發電系統建模的研究雖然已經取得了顯著進展，但在實際應用和理論完善方面仍存在一些不足。光熱發電系統在啟動、停機和負荷變化等動態工況下的性能表現復雜，而現有建模大多集中在穩態工況，對動態過程的研究較少。光熱發電系統的動態特性復雜，涉及熱力學、光學、傳熱學、流體力學等多個領域。高精度模型通常復雜度高、計算成本大，不適用于實時控制和優化。而簡化模型可能丟失關鍵動態特性、影響預測精度。因此，需要在保證足夠精度的情況下簡化建模方法并提升計算效率。光熱發電系統建模需要大量準確的參數，尤其是傳熱系數、光學效率等。這些參數往往難以通過試驗或測量精確獲取。對此，需要進一步發展參數辨識技術，利用在線校正算法和自適應建模方法動態修正模型參數，從而提升模型精度。目前建立的光熱發電系統模型在試驗驗證或工業場景中的應用較少，理論研究與工程實踐尚有脫節。對此，需要加強模型在實際項目中的驗證，并建立試驗平臺或測試基地，從而進行模型校驗和優化。

3光熱發電系統調度和參數優化技術

儲能和發電調度以及參數優化對于提升光熱發電系統的整體效率和經濟性至關重要。

3.1槽式光熱發電系統調度和參數優化

Bouziane等使用TRNSYS模擬軟件對55 MW槽式光熱發電系統進行了動態仿真，從而深入分析了儲熱系統充放策略對能效的影響。仿真結果表明，所提策略使導熱油泵和熔融鹽泵的總能耗減少了21%、整體效率提高了2.4%。Usaola等提出了1種線性混合整數優化調度模型，以更好地適應電力市場波動、增加經濟收益。Camacho等建立了槽式光熱發電系統分層運行優化模型：第一層負責制定調度計劃；第二層計算運行參數的最優設定值；第三層跟蹤設定值以確保系統的穩定、經濟運行。Al-Maliki等針對西班牙某槽式光熱發電系統，提出了根據DNI變化設定的6階段運行策略，并利用基于高精度動態仿真（advanced process simulation,APROS）軟件開發的動態仿真模型進行了驗證。Vasallo等提出了基于模型預測控制（model predictive control,MPC）的槽式儲熱光熱發電系統調度方法。該方法結合短期天氣預測和系統狀態信息，一方面完成已承諾的發電計劃，另一方面生成未來的發電計劃，以提高調度的準確性和發電收益。此外，Vasallo等又提出了1種基于經濟目標函數的MPC方法。該方法將經濟因素（如電價和罰款成本）納入目標函數，通過定期更新發電計劃并生成第二天的調度計劃來應對太陽輻射的不確定性，從而降低罰款成本。Cojocaru等提出了1種基于混合整數線性規劃（mixed-integer linear programming,MILP）的槽式儲熱光熱發電系統日內調度策略。該策略在調度模型中引入了對發電功率變化的懲罰項，有助于減少啟停次數、延長使用壽命、降低維護成本。針對太陽輻射和電價的不確定性，Petrollese等探討了槽式光熱發電系統在日前電力市場的調度優化問題，并分析比較了確定性、魯棒性和隨機性這3種調度策略。分析結果表明，魯棒性和隨機性調度策略都能增加槽式光熱發電系統的收益，并最小化違約風險。其中，隨機調度可能獲得的收益最大，但同時受不確定性的影響也最大。陳宇恒在系統整體建模與能效分析基礎上，以發電量最大為目標，提出1種離線和在線組合優化的運行方案，從而在兼顧儲能調度與運行參數優化的同時，避免了復雜的在線計算。

Bellos等、Padilla等和Tyagi等探討了運行參數與環境參數對槽式集熱器性能的影響，發現導熱油入口溫度、太陽輻射強度和環形空間壓力對熱效率和?效率有顯著影響。Kaushik和Reddy通過基本的能量分析和?分析，確定了系統各組件的熱損失和?損失，揭示了不同參數對系統性能的影響。為解決槽式集熱器因運行溫度差異和反射率不均而導致的效率問題，Ma和Sánchez等分別提出了識別集熱器最佳表現回路的策略和動態閥門控制方法，通過實時調整每個回路的導熱油流量，確保集熱場在最優溫度和效率下運行。考慮到天氣條件對槽式光熱發電系統運行狀態的影響，Wang等基于能量分析和?分析，研究了云工況條件下蒸汽發電子系統的熱力學特性，對蒸汽、導熱油和熔融鹽進行了參數耦合分析；在此基礎上，進行導熱油再分配，以實現在不同太陽輻射條件下對蒸汽發生系統的運行優化。該工作對光熱發電系統快速啟停和抑制天氣擾動具有重要參考價值。

3.2塔式光熱發電系統調度和參數優化

Mohammadzadeh等提出1種基于MPC的優化調度策略，以應對天氣預報（特別是太陽輻射）和實時電價的強不確定性。案例研究結果表明，所提策略可以降低不確定性對電站經濟效益的影響。此外，Mohammadzadeh等還提出了1種隨機混合整數線性規劃（stochastic mixed-integer linear programming,SMILP）調度策略，并將該策略應用于澳大利亞115 MW塔式電站。應用結果表明，SMILP調度策略相比于啟發式調度策略可以進一步提高收益率，并降低不確定性影響。Wagner等針對塔式光熱發電系統，建立了以48 h為滾動預測時間窗口的收益最大化調度模型。該模型考慮了啟、停機速率和能量平衡等約束條件，并采用MILP算法求解。仿真結果表明，該模型可以減少86.4%的啟停次數、增加年凈收益8.5%。Kahvecioglu等基于輻射強度和電價預測建立了48 h調度優化模型，并使用了美國國家可再生能源實驗室的系統顧問模型（system advisor model,SAM）進行了性能評估，提升了電站的年收益率。Wang等提出1種日內滾動優化調度策略，并利用改進粒子群優化（revised particle swarm optimization,R-PSO）算法對減負荷時熱罐液位、減負荷時冷罐液位、吸收器啟動時DNI等影響發電量的運行參數閾值進行優化，使日均發電量比不優化和采用常規粒子群優化（particle swarm optimization,PSO）分別提高13.4%和4.36%。Cox等考慮與流體溫度相關的循環效率，建立了收益最大化的非凸混合整數規劃調度模型，并提出了非線性和線性混合的描述方式，以降低調度問題求解的難度。該調度模型的求解時間不超過5 min，并且優化結果與最優解的偏差小于3%。

3.3存在的不足

盡管當前關于光熱發電系統優化調度策略已有諸多研究，但這些研究仍存在一些不足之處。例如，許多優化模型在提高收益率的同時，增加了計算復雜度；雖然考慮了太陽輻射預測和市場價格等因素，但缺乏對實時數據的有效利用，從而影響了調度的靈活性和應變能力。而且現有的調度優化與參數優化一般是分開考慮的，難以兼顧儲能和發電調度及運行參數優化。此外，目前的研究主要停留在理論模型和離線優化上，缺乏實時監測和動態優化方法；同時，大多數研究僅考慮了單一因素下的運行參數優化，缺乏針對多因素共同影響的優化運行策略研究。

4光熱發電系統控制技術

4.1槽式光熱發電系統控制技術

槽式光熱發電系統控制研究主要包括槽式聚光器的追蹤控制、集熱場控制和整體協調控制。

4.1.1槽式聚光器追蹤控制

為實現太陽追蹤，Walraven討論了用計算機計算太陽位置的步驟，給出了用于生成星歷表和航海年鑒的方程，以快速、精確計算太陽位置。在此基礎上，Michalsky計算了1950-2050年間的太陽位置，實現了0.01°的計算精度。Reda和Andreas采用了1種太陽估計算法計算了公元前2000年至公元6000年的太陽位置，且僅有±0.0003°的不確定性。Grena提出了1種新的太陽位置算法。該算法的最大誤差為0.0027°，完全能滿足太陽能系統工程應用的要求，同時降低了計算成本。

在太陽位置算法的基礎上，研究者們提出了一系列槽式集熱器追蹤算法。Saldivar-Aguilera等提出了單軸跟蹤系統的雙閉環控制方案，通過集成典型的基于光電二極管的太陽能傳感器，使用雙控制反饋進行粗調，并基于視覺裝置進行細調，從而改善了單軸跟蹤系統的精度、可靠性和魯棒性。許守平等采用四象限探測器作為太陽傳感器核心部件，通過單片機實現跟蹤控制，從而提高了集熱系統的效率。基于太陽位置的計算，舒杰等針對單軸跟蹤系統計算了集熱器所需的轉角。尹丹采用了光照傳感器與時鐘計算組合的方法估算太陽位置，并采用間歇式跟蹤方法設計了集熱器跟蹤系統。葛躍田等設計了基于可編程邏輯控制器（programmable logic controller,PLC）控制的聚光器追蹤控制方案，減小了由于元件性能故障導致的跟蹤誤差。孫萬峰首先通過建立追蹤控制系統的數學模型比較不同的太陽位置算法，并提出了1種自適應模糊比例積分微分（proportional integral differential,PID）控制策略；然后，以STM32F417為主控芯片，搭建測試平臺驗證了該控制策略的運行效果。

雙軸跟蹤系統允許通過高度和方位角的變化來跟蹤太陽，可進一步提高追蹤精度和集熱效率。Salah設計了1種帶雙軸跟蹤系統的太陽能干燥器。根據太陽路徑推算，干燥器每15 min對聚光器進行1次調整，以追蹤太陽位置。Kumba等對比了單軸和雙軸的太陽追蹤系統性能，明確了所面臨的挑戰。Cammarata提出了1種U-2PUS型并聯運動機械。該機械可根據方位角和高度角進行實時太陽跟蹤，無需布置光電傳感器。董必文采用Matlab仿真軟件比較了不同太陽位置算法的精度，進而計算得到相應的槽式鏡面跟蹤角，并測試了跟蹤控制方案的效果。

4.1.2集熱場控制

①集熱場出口溫度控制。

目前，多數工作聚焦在通過控制導熱油流量，使集熱場出口溫度追蹤設定值。Rubio等設計了基于極點配置策略的自適應比例積分（proportional integral,PI）控制器，以應對系統遲延的變化。Meaburn和Hughes分析了集熱場的共振特性，并根據極點配置法設計了PI控制器，以減少調節過程中的振蕩。Roca等將反饋線性化方法用于集熱場出口溫度控制，并提出了濾波史密斯預測器（filter Smith predictor,FSP）以處理延遲問題。該方法對死區時間誤差和因流速限制而導致的控制信號飽和都具有更強的魯棒性。

考慮到集熱場系統具有的大遲延和非線性特征，MPC在出口溫度控制中被大量采用。Camacho等考慮集熱場的頻率響應特性，提出了增益調度廣義預測控制方法，并在集熱場非線性模型上進行了測試。Rato等提出了串級自適應預測控制的方法，分析了可能的收斂點，并討論了該方法與穩態線性二次型（linear quadratic,LQ）隨機控制的關聯。Silva等采用雙曲偏微分方程（partial differential equation,PDE）對集熱場進行了建模，并通過求解PDE得到了線性離散狀態空間模型；設計了自適應預測控制器，并采用狀態觀測器估計集熱器場內部的溫度分布。Ayala等提出了基于濾波史密斯預估的廣義預測控制算法。該算法可通過在線更新線性模型和參數，有效應對非線性、約束、死區和模型失配等問題。Guo等提出了適用于再循環直接蒸汽槽式集熱場的廣義預測控制方案，獲得了良好的控制性能和魯棒性。Gallego等提出了槽式集熱場增益調度MPC策略。Gholaminejad和Khaki-Sedigh提出了基于Koopman算子的MPC方法，并在西班牙ACUREX集熱場模型上進行了仿真驗證。Song等提出了基于快速傅里葉變換的抗擾MPC算法。該算法首先通過分解集總擾動信號，提取主要頻率成分對擾動進行估計；然后通過狀態擴增提前補償不確定性帶來的影響。Mechhoud等提出了滿足控制目標的飽和狀態反饋控制律，使用自適應估計器重建未知時變擾動，并通過Lyapunov穩定性分析和數值模擬證明了控制策略的性能。

②集熱場太陽輻射度估計。

在大部分有關集熱場出口溫度控制的文獻中，太陽輻射常常被認為是已知的或精確可測的。然而，受實際測量條件限制，集熱場接收的太陽輻射強度常常無法及時獲取。為此，研究者們設計了估計算法用于估算集熱場接收的太陽輻射。Karamali等開發了1種迭代擴展卡爾曼濾波器方法，用于估算太陽場的輻射以及溫度分布。Camacho等利用無跡卡爾曼濾波（unscented Kalman filter,UKF）估算有效太陽輻照強度。此外，研究者們還引入了1種名為無跡高斯和濾波器（unscented Gaussian sum filter,UGSF）的非高斯估計算法，并對該方法與擴展卡爾曼濾波（extended Kalman filter,EKF）和UKF的性能進行了比較研究。對比結果表明，EKF是3種估計方法中最精確且計算要求最低的方法。

③集熱場溫度均勻性控制。

目前，多數研究工作僅關注集熱場出口溫度控制。然而，太陽輻射隨時間和空間的變化常常呈現不均勻分布，使得集熱器回路之間出現明顯的溫度偏差，可能導致局部超溫和管壁損傷。為此，近年來學者們圍繞集熱場溫度均勻性控制開展了部分研究工作。Abutayeh等建立了集熱場的詳細水力模型，并提出了旨在實現各環路溫度均勻性的控制方案。不過這種方案需要為每個環路安裝太陽輻射測量裝置，對大規模運行而言成本高昂。Camacho等提出了使用UKF進行不可測變量估算的流量控制方法，通過優化計算實現拋物面槽式集熱器（parabolic trough collector,PTC）環路間熱平衡，并設計前饋控制策略。然而，該方法中的優化問題求解復雜，限制了快速抑制擾動的能力。Song等提出了實現集熱器回路溫度均勻性的流量分配方案。仿真結果表明，該方案不僅能夠使集熱場出口溫度跟蹤設定值，而且顯著減少了集熱器回路間的溫度偏差，同時計算量較小。

④集熱效率優化。

部分研究直接將集熱場接收的熱功率納入優化指標。Frejo等首先提出了通過控制各集熱器回路閥門，提高集熱場熱功率的MPC方法；然后提出1種分布式MPC策略，取得了與集中式MPC方法接近的性能，同時大幅降低了計算負擔。Masero等利用聯合MPC提高集熱場熱功率，通過將光熱發電系統劃分為相互耦合的子系統，改善了控制性能并提高了優化問題的求解速度。為盡可能減小在線計算負擔，Ruiz-Moreno等使用了人工神經網絡來近似MPC控制器。

4.1.3槽式光熱發電系統協調控制

槽式光熱發電系統的集熱、儲熱和發電這3個子系統之間存在較強的耦合作用。然而，目前關于槽式光熱發電系統整體協調控制的研究較少。

Powell等研究了槽式光熱電站中儲能系統與其他子系統的相互作用，以及如何利用儲能系統來控制集熱場出口溫度和功率輸出。Terunuma等以集熱場出口溫度和發電機頻率作為被控輸出，以通過儲熱系統的導熱油流量、通過集熱場的導熱油流量和熔鹽流量為控制輸入，提出了基于非線性MPC算法的多變量協調控制策略。Liang等提出了1種具有2種操作模式的多變量MPC方法，以實現機組的穩定運行和快速功率跟蹤。Wang等提出了基于切換模型預測控制（switching model predictive control,SMPC）的協調控制策略。該策略使用滾動時域估計算法防止模式切換導致狀態觀測的劇烈波動。在此基礎上，該策略利用切換時間信息修改狀態空間預測方程，進一步提出了增強型SMPC。增強型SMPC可將儲熱系統運行模式切換期間集熱場出口溫度的最大動態偏差和均方根誤差分別降低3.02℃和0.73℃。另外，通過在優化目標函數中集成穩態散焦角，Wang等還提出了1種考慮集熱器主動散焦的協調控制策略。該策略可以利用額外的控制自由度進一步改善控制性能，并確保最終穩態散焦角較小，從而減少不必要的集熱損失。

4.2塔式光熱發電系統控制技術

塔式光熱發電系統控制研究主要包括定日鏡場控制、吸熱器溫度控制和蒸發器水位控制。

4.2.1定日鏡場控制

定日鏡場控制的目標是把盡可能多的太陽光聚焦在塔頂的吸熱器上。Berenguel等利用人工視覺技術和電荷耦合器件（charge-coupled device,CCD）技術，開發了簡化的自動定日鏡定位偏移校正控制系統。區別于一般的開環控制方式，Bittanti等提出了定日鏡位置的閉環控制方法。該方法通過角反射器實現反饋，提高了定日鏡的定位精度。

在調整定日鏡角度時，不僅需要將光斑位置定位在接收器表面，還需要對光斑位置進行合理的分配，從而使吸熱器表面溫度盡可能均勻，避免吸熱器出現局部超溫。García-Martín等介紹了1種基于啟發式知識的定日鏡控制策略，以優化容積式吸熱器內的溫度分布。Garcia等概述了計算塔式吸熱器-定日鏡場系統太陽通量的計算機代碼，并討論了這些代碼的特點、優勢和不足。Salomé等提出接收器能流密度閉環控制方法，并在法國THEMIS型號塔式光熱發電系統進行了驗證。Oberkirsch等通過對太陽輻射通量密度的測量，實現了閉環瞄準點控制。在Jülich太陽塔的測試中，該方法將吸熱器的溫度偏差控制在±15 K范圍內。Kuhl等為解決通量預測誤差和計算成本間的矛盾，引入了數據驅動方法，利用生成模型來解釋和預測由太陽位置變化引起的焦斑的復雜變化。Carballo等介紹了1種無模型的深度強化學習方法，使得電站每年的吸收功率提高了8.8%以上。

4.2.2吸熱器溫度和蒸發器水位控制

在塔式光熱發電系統中，吸熱器出口溫度的穩定性是光熱發電系統高效、安全運行的必要條件。然而，云層導致的太陽輻射的劇烈變化對保持出口溫度穩定形成嚴峻挑戰。此外，蒸發器水位控制對于系統的安全、穩定運行至關重要。張強等根據能量守恒定律和動量守恒定律，建立了50 MW塔式光熱發電系統動態模型，分析了塔式光熱發電系統在DNI、給水溫度、熔鹽溫度和流量等擾動下的動態特性，并將傳統的PID控制算法應用于吸熱器的溫度控制和動力循環系統的水位控制。仿真結果驗證了該模型的有效性。Wang等提出了1種基于人工神經網絡的前饋-反饋控制策略。該策略通過調節吸熱器的質量流量來應對太陽輻射的波動。其中，基于人工神經網絡的前饋控制器能快速響應太陽輻射強度的變化；反饋控制器能使接收器溫度穩定在設定值附近，以確保系統安全和保持較高的吸熱效率。

4.3存在的不足

目前，光熱發電系統控制研究大部分集中在集熱系統控制上，而對于電站集熱、儲熱與發電子系統整體協調控制的研究較少，尤其對于塔式光熱電站整體協調控制而言基本是空白。盡管塔式光熱發電系統采用熔鹽直接儲熱方式，但是一般仍認為鏡場集熱子系統與蒸汽循環發電子系統之間解耦。然而，儲能容量是有限的，兩者仍然存在間接耦合。同時，儲熱與發電子系統之間的強耦合關系仍然存在，因而發電功率以及主蒸汽壓力均是控制的重要目標。另外，以參與電網調峰調頻為目標的光熱發電系統協調控制研究亟需開展，從而充分發揮光熱發電清潔、穩定和負荷跟蹤速率高的優勢，助力提升電力系統靈活性。

5研究展望

光熱發電系統在運行過程中，面臨太陽輻射量、風溫、風速和風向變化等多源擾動的影響，同時需要調整發電功率使收益最大化或參與電網輔助服務。因此，需要研究并采用合理的調度和控制方法，對光熱發電系統發電功率和其他運行參數進行合理調配和控制，從而保證系統的安全、穩定、靈活、高效運行。目前，圍繞光熱發電系統的優化運行仍存在諸多研究空白。未來可在以下方面開展進一步研究。

①在建模方面，需要建立涵蓋啟動、運行和停機的光熱發電系統全工況動態模型，并考慮儲能系統充熱、放熱等多種運行模式。為支撐光熱發電系統運行經濟性和控制系統設計的研究，所建模型需要在精度和復雜度上取得較好的平衡。同時，目前所建模型多數僅對穩態工況和少量動態工況進行了驗證，尚需利用現場運行數據或試驗數據進行更充分的驗證。

②在調度方面，需要進一步完善系統整體能效分析模型、詳細分析系統各環節能效、研究在線能效評價方法，以指導優化系統調度和運行參數。同時，需要充分考慮儲能調度與運行參數優化之間的耦合作用。因為儲能調度優化與發電功率相關，而發電功率又與運行參數相關，所以需要考慮對儲能調度和運行參數進行聯合優化。此外，目前研究基本都對蒸汽循環部分作了過度簡化，因此需要對這部分進行細化，以實現對蒸汽循環系統運行參數的優化。

③在控制方面，不論是對于槽式還是塔式光熱發電系統，圍繞光熱發電整體的協調控制仍需作進一步研究。未來可采用如MPC、滾動時域估計等先進控制和估計算法，進一步提高集熱-儲熱-發電子系統之間的協同能力，以提升系統的負荷跟蹤速率，從而更好地滿足系統穩定性和電網靈活性需求。

6結論

光熱發電技術是1種清潔、可持續的可再生能源發電方式。該技術的應用對于提高我國可再生能源發電占比，加速實現碳達峰、碳中和目標具有重要意義。本文綜述了幾種常見的太陽能熱發電技術，聚焦于槽式和塔式光熱發電系統的運行優化問題，重點圍繞光熱發電系統建模、調度和控制方面取得的理論進展和實踐成果進行了系統總結，指出了光熱發電目前存在的局限性與不足，并對槽式和塔式光熱發電系統優化運行領域未來的研究方向進行了展望。本文可為推動光熱發電系統優化運行領域的相關研究工作提供參考。

作者：宋宇輝,王佳星,夏春琳,吳東昕,李益國

(東南大學能源與環境學院,江蘇南京211102)