Modellerstellung für die prädiktive Regelung eines Parabolrinnenkraftwerks mit Direktverdampfung

Kurzfassung

In dieser Arbeit wurde ein nichtlineares Modell einer direktverdampfenden solaren Test-anlage des DLR hergeleitet und implementiert. Der hier verwendete Ansatz mit kon-zentrierten Parametern ermöglicht es, den solaren Durchlaufdampferzeuger mit einer begrenzten Anzahl an gewöhnlichen Differentialgleichungen zu beschreiben. Hiermit und durch eine Abkapselung der Zugriffe auf Stoffkorrelationen wurde eine sehr kurze Re-chenzeit erreicht. Weiterhin wurde das Modell um zwei Ausführungen erweitert, um Simulationen in einer Vielzahl an Betriebspunkten zu ermöglichen. Die dazu notwendige übergeordnete Modellstruktur wurde für die Simulationen in MATLAB entworfen. Simulationsergebnisse haben gezeigt, dass das hiermit entworfene Modell mit kon-zentrierten Parametern (MKP) den dynamischen Verlauf von der Feldaustrittstemperatur und der Lage des Verdampfungsendpunkts für Schwankungen Direktnormalstrahlung (DNI) über das gesamte Kollektorfeld oder über ganze Feldabschnitte gut wiedergibt. Werden DNI-Schwankungen hingegen auf einzelne Kollektoren im Vorwärmer und im Verdampfer aufgeprägt, kommt es modellbedingt zu Abweichungen bei der Vorhersage des nicht-minimalphasigen Verhaltens, da Schwankungen im MKP nicht örtlich aufgelöst, sondern gemittelt berücksichtigt werden müssen. Weiterhin wurde die Qualität der Mo-dellvorhersagen für Schwankungen der Stellgrößen untersucht. Hier konnte festgestellt werden, dass der Verlauf der Modellausgangsgrößen dem Verlauf des Referenzmodells für Schwankungen des Eintrittsmassenstroms und der Injektormassenströme gut folgt. Ledig-lich in den ersten etwa 100 Sekunden kommt es bei einer sprunghaften Änderung der Injektormassenströme zu einer Fehlprädiktion. Weiterhin wurden Schritte durchgeführt, die dem Entwurf einer nichtlinearen modellprä-diktiven Regelung dienen sollen. Ein Kostenfunktional zur Bewertung von Regelgrößen-abweichungen wurde aufgestellt und untersucht. Für das hierbei entstehende Optimie-rungsproblem wurde ein nichtlinearer Lagrangescher Optimierer entworfen und imple-mentiert. Dieser führt die Suche nach der optimalen Steuersequenz auf eine Nullstellensu-che zurück, welche mit einem schnellkonvergierenden Newton-Verfahren durchgeführt wird. Hiermit kann die nötige Rechenzeit stark reduziert werden, was den Echtzeitbetrieb eines prädiktiven Reglers ermöglicht. Die Funktionsweise und die Tauglichkeit dieses Optimierers konnten weiterhin überprüft werden. Die beim Entwurf einer nichtlinearen MPR überwundenen Schwierigkeiten, zeigen die prinzipielle Anwendbarkeit von prädiktiven Regelungen auf direktverdampfende Durch-laufdampferzeugern. Eine der letzten größeren Herausforderungen zur Komplettierung des Gesamtregelkreises stellt der Entwurf eines stabilen Zustandsbeobachters dar. Der hier erprobte Kalman-Bucy Filter weist numerische Stabilitätsprobleme auf, die darauf schließen lassen dass das entworfene Modell sich nicht ohne weiteres für die Messgrö-ßenprädiktion eignet, die für diesen Zustandsbeobachter notwendig ist. Es empfiehlt sich an dieser Stelle auf Beobachterstrukturen zurückzugreifen die das interne Streckenmodell für Zustandsschätzungen nicht benötigen. Obwohl ein Vergleich prädiktiver Regelungen mit einem klassischen Regelkonzept in dieser Arbeit nicht umgesetzt werden konnte, gibt es viele Anhaltspunkte dafür, dass sie zu einer erheblichen Verbesserung der Regelgüte von direktverdampfenden Dampfererzeugern führen können.