固体电蓄热系统传热建模与控制策略研究

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新型储能是建设新型电力系统、推动能源绿色低碳转型的重要装备基础和关键支撑技术,是实现“碳达峰”、“碳中和”目标的重要保障,在风光水电资源丰富地区,开展抽水蓄能、电化学储能、固体储能等多种储能技术是解决电网调峰的关键,其中固体储能中的电蓄热储能系统是北方地区冬季居民供暖的一种新模式。尽管固体电蓄热系统在取代燃煤锅炉供暖发挥着重要作用,但由于发展时间短,在实际应用中存在一些劣势,如电蓄热系统模型单一、系统传热效率低、供暖出水温度响应速度慢以及温度不稳定等问题。本文以固体电蓄热系统为研究对象,围绕固体电蓄热系统进行传热建模与控制策略研究,具体研究内容如下:首先,研究了固体电蓄热系统的结构组成和供暖传热的工作原理,在传热理论的基础上分析了电蓄热系统的传热方式及典型的热负荷需求,根据热负荷需求的变化对传热控制进行了理论分析。其次,通过数值求解的方法研究了固体电蓄热系统蓄热侧蓄热体的传热模型,在单通道模型和双通道模型的基础上研究了蓄热体结构对出风温度的影响,在换热侧根据换热器特性研究了出水温度传热的机理模型和基于历史数据的系统辨识模型,选择辨识度最高的辨识模型和机理模型进行阶跃响应仿真验证,验证结果表明带滞后二阶惯性传递函数模型是最优的出水温度传热模型。最后,由于固体电蓄热系统具有时滞时间长、非线性、参数时变等特点,采用广义预测控制算法(GPC)对出水温度进行了控制研究,为了改变广义预测控制策略耗时长、计算量大的缺点,结合隐式广义预测控制(IGPC)提出了改进后的隐式PI广义预测控制策略(PIGPC),在方波信号下通过三种控制策略验证了出水温度发生变化时的响应特性,仿真结果表明采用PIGPC系统超调量小、响应目标温度速度快,相比传统的PID控制在扰动情况下控制效果更好,可为目前使用的固体电蓄热系统控制出水温度提供参考意见。
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