Modellerstellung für die prädiktive Regelung eines Parabolrinnenkraftwerks mit Direktverdampfung

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 ermoglicht es, den solaren Durchlaufdampferzeuger mit einer begrenzten Anzahl an gewohnlichen 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 Ausfuhrungen erweitert, um Simulationen in einer Vielzahl an Betriebspunkten zu ermoglichen. Die dazu notwendige ubergeordnete Modellstruktur wurde fur 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 fur Schwankungen Direktnormalstrahlung (DNI) uber das gesamte Kollektorfeld oder uber ganze Feldabschnitte gut wiedergibt. Werden DNI-Schwankungen hingegen auf einzelne Kollektoren im Vorwarmer und im Verdampfer aufgepragt, kommt es modellbedingt zu Abweichungen bei der Vorhersage des nicht-minimalphasigen Verhaltens, da Schwankungen im MKP nicht ortlich aufgelost, sondern gemittelt berucksichtigt werden mussen. Weiterhin wurde die Qualitat der Mo-dellvorhersagen fur Schwankungen der Stellgrosen untersucht. Hier konnte festgestellt werden, dass der Verlauf der Modellausgangsgrosen dem Verlauf des Referenzmodells fur Schwankungen des Eintrittsmassenstroms und der Injektormassenstrome gut folgt. Ledig-lich in den ersten etwa 100 Sekunden kommt es bei einer sprunghaften Anderung der Injektormassenstrome zu einer Fehlpradiktion. Weiterhin wurden Schritte durchgefuhrt, die dem Entwurf einer nichtlinearen modellpra-diktiven Regelung dienen sollen. Ein Kostenfunktional zur Bewertung von Regelgrosen-abweichungen wurde aufgestellt und untersucht. Fur das hierbei entstehende Optimie-rungsproblem wurde ein nichtlinearer Lagrangescher Optimierer entworfen und imple-mentiert. Dieser fuhrt die Suche nach der optimalen Steuersequenz auf eine Nullstellensu-che zuruck, welche mit einem schnellkonvergierenden Newton-Verfahren durchgefuhrt wird. Hiermit kann die notige Rechenzeit stark reduziert werden, was den Echtzeitbetrieb eines pradiktiven Reglers ermoglicht. Die Funktionsweise und die Tauglichkeit dieses Optimierers konnten weiterhin uberpruft werden. Die beim Entwurf einer nichtlinearen MPR uberwundenen Schwierigkeiten, zeigen die prinzipielle Anwendbarkeit von pradiktiven Regelungen auf direktverdampfende Durch-laufdampferzeugern. Eine der letzten groseren Herausforderungen zur Komplettierung des Gesamtregelkreises stellt der Entwurf eines stabilen Zustandsbeobachters dar. Der hier erprobte Kalman-Bucy Filter weist numerische Stabilitatsprobleme auf, die darauf schliesen lassen dass das entworfene Modell sich nicht ohne weiteres fur die Messgro-senpradiktion eignet, die fur diesen Zustandsbeobachter notwendig ist. Es empfiehlt sich an dieser Stelle auf Beobachterstrukturen zuruckzugreifen die das interne Streckenmodell fur Zustandsschatzungen nicht benotigen. Obwohl ein Vergleich pradiktiver Regelungen mit einem klassischen Regelkonzept in dieser Arbeit nicht umgesetzt werden konnte, gibt es viele Anhaltspunkte dafur, dass sie zu einer erheblichen Verbesserung der Regelgute von direktverdampfenden Dampfererzeugern fuhren konnen.