本发明涉及斯特林发动机技术领域，尤指一种太阳能斯特林发电机组发电系统的控制系统及方法。
背景技术：
目前，中国的能源消费以传统的化石能源为主，导致了环境污染问题越来越严重；太阳能是一种可再生能源，无污染，因此获得了越来越多的应用。斯特林发动机是一种外燃式封闭循环往复活塞式热力发动机。与内燃机相比，斯特林发动机具有燃料适应范围广、噪音低、维护保养费用低、输出功率稳定等特点。碟式斯特林发电机组是一种通过聚焦太阳光产生高温进而推动斯特林发动机发电的技术，是聚焦太阳光发电(concentratingsolarpower，csp)技术中的一种。由于该技术具有聚光能力强，原动机的热效率高等特点。在csp几项技术中，碟式斯特林发电机组热电转换效率最高，其热电转换效率可达到30％以上。同时，碟式斯特林发电机组技术还具有单机功率适中，几乎不消耗水资源等特点，有利于推广应用。
碟式斯特林发电机组起动时，机组内预先设定一定压力的工质，以保护斯特林发动机的零部件以免过快受热而损坏。由于是带有一定压力的工质起动，如果直接快速进行起动，使机组的转速从零快速变化到额定转速，将使机组的相关部件受到的冲击增大很多，如斯特林发动机的传动部件的作用力冲击以及发电机的电磁力冲击和热应力冲击，几乎每一次起动时均可能会对相关部件造成损伤，使相关部件的使用寿命和可靠性下降，使碟式斯特林发电机组的故障率上升。
碟式斯特林发电机组运行时，由于太阳光的强度是不可控的，是变化的，因此，聚焦在斯特林发动机加热器管壁的温度也是变化的，如果斯特林发动机加热器管壁的温度过高，如果加热器管壁温度超过加热器材料能承受的最高温度范围，则会使加热器过热而损坏，如果加热器管壁温度在较低温度运行，则太阳能斯特林发电机组的效率较低，经济性较差。
为此本领域的技术人员需要一种设计合理、成本低、结构简单和实用性强的发电控制系统及控制方法，降低对碟式斯特林发电机组起动时对相关部件如传动部件的冲击作用力以及发电机的电磁力冲击和热应力冲击，降低对相关部件造成损伤的机率，从而提高相关部件的使用寿命和可靠性，降低碟式斯特林发电机组的故障率；在机组运行时，需要把碟式斯特林发电机组加热器管壁温度控制在加热器材料容许的最高安全范围内，使机组安全高效运行。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能使用于碟式斯特林发电机组控制系统及控制方法，在碟式斯特林发电机组起动时可以降低对相关部件如传动部件的冲击作用力以及发电机的电磁力冲击和热应力冲击，进而降低对相关部件造成损伤的机率，从而提高相关部件的使用寿命和可靠性，降低碟式斯特林发电机组的故障率；采用本发明方法还可使机组在运行时，可以有效地把碟式斯特林发电机组加热器管壁温度控制在加热器材料容许的最高安全范围内，使机组安全高效运行，经济效益较高。
为解决上述问题，本发明提供一种太阳能斯特林发电机组控制系统，该系统包括：控制系统包括检测单元、判断单元和控制单元。
所述检测单元，用于检测太阳能斯特林发电机组的太阳阳光强度、机组转速、管壁温度、工质压力、水温以及风速，并将检测结果发送至判断单元。所述检测单元包括：阳光强度检测模块，其用于检测太阳能斯特林发电机组所处环境下的太阳阳光强度；机组转速检测模块，其用于检测太阳能斯特林发电机组的飞轮转速；管壁温度检测模块，其用于检测太阳能斯特林发电机组的加热器管壁上的温度；工质压力检测模块，其用于检测太阳能斯特林发电机组中的工质气体压力；水温检测模块，其用于检测太阳能斯特林发电机组中冷却循环系统水的温度；风速检测模块，其用于检测太阳能斯特林发电机组所处环境下的风速。
所述判断单元，根据设定值判断所述检测单元的检测值所处范围，并将判断结果发送至控制单元。所述判断单元包括：阳光强度判断模块、机组转速判断模块、管壁温度判断模块、工质压力判断模块、水温判断模块和水温判断模块。阳光强度判断模块，其用于根据所述阳光强度检测模块的检测结果，判断所述环境太阳阳光强度与设定光强(机组起动、停车光强)的大小，并将判断结果发送至所述控制单元；机组转速判断模块，其用于根据所述机组转速检测模块的检测结果，判断所述机组转速与设定转速(拖动转速、爬坡转速、运行转速和停车转速)的大小，并将判断结果发送至所述控制单元；管壁温度判断模块，其用于根据所述管壁温度检测模块的检测结果，判断机组管壁温度与设定值(机组起动管壁温度、机组爬坡管壁温度、机组运行温度和停车温度)的大小，并将判断结果发送至所述控制单元；工质压力判断模块，其用于根据机组工质压力检测模块的检测结果，判断机组工质压力与设定值(起动压力、运行压力)的大小，并将判断结果发送至所述控制单元；水温判断模块，其用于根据机组水温检测模块的检测结果，判断机组水温与设定停机水温的大小，并将判断结果发送至所述控制单元；风速判断模块，其用于根据机组风速检测模块的检测结果，判断机组所处环境的风速与设定停机风速的大小，并将判断结果发送至所述控制单元。
所述控制单元，用于在机组工作过程中，先由检测单元完成成太阳能斯特林发电机组的状态检测，并将检测结果发送至判断单元，判断单元根据系统设定值判定检测单元检测值处在的范围，再将判断结果发送至控制单元，控制单元完成太阳能斯特林发电机组工作过程控制。
所述的太阳能斯特林发电机组控制系统，其特征在于，测量机组加热器管壁温度使用的传感器是热电偶。
本发明另一个目的是提供一种太阳能斯特林发电机组发电系统的控制方法：
所述的太阳能斯特林发电机组发电系统的控制方法，其特征在于，所述机组工作状态包括：准备、起动、运行、停车和维护。
所述的准备工作状态是指太阳能斯特林发电机组发电系统每次开始工作时，控制系统即将进行的一系列自检工作，即联锁检查工作过程；所述的起动工作状态是指太阳能斯特林发电机组发电机组转速由零到设定额定转速的区间范围内，机组控制系统进行的聚光升温、拖动、爬坡工作控制过程阶段；所述的运行工作状态是指根据阳光强度变化情况调节机组工质压力，进而控制机组管壁温度工作在最高安全范围内，使转速变化缓慢，系统工作稳定；所述的停车工作状态是指控制系统按照停车逻辑过程控制太阳能斯特林发电机组完成机组停车工作；所述的维护工作是指控制系统按机组维护的要求，控制阳能斯特林发电机组停在维护工作所要求的位置，以进行相应的几组维护工作。
所述的太阳能斯特林发电机组发电系统的控制方法，其特征在于，将机组工作过程分为联锁检查、聚光升温、拖动、爬坡、运行和停车等阶段组成。
所述的太阳能斯特林发电机组发电系统的控制方法，其特征在于，所述的联锁检查阶段完成太阳能斯特林发电机组发电系统各个传感器的检查，同时完成以下工作：
1)检查聚光碟转动性能；
2)检查太阳光强度是否大于机组起动光强设定值；
3)检查太阳能斯特林发电机组所处环境的风速是否小于停车风速；
4)检查机组工质压力是否在规定的起动压力范围内。
如果上述条件中的任意一个参数不满足，则报故障位，且进入停车状态，没有故障进入聚光升温阶段。
所述的太阳能斯特林发电机组发电系统的控制方法，其特征在于，所述的聚光升温阶段完成聚光碟的太阳跟踪控制，使太阳光均匀聚焦在斯特林发动机的加热器上，同时控制太阳能斯特林发电机组的水泵运行。根据不同的太阳光强度，若管壁温度在规定的相应时间内达到机组起动管壁温度设定值，则进入拖动阶段，反之则报警停车处理。。
所述的太阳能斯特林发电机组发电系统的控制方法，其特征在于，所述的拖动阶段，控制系统开启太阳能斯特林发电机组的发电机，同时检测太阳能斯特林发电机组的转速。若在规定时间内机组转速达到系统设定的拖动转速则表明起动成功段并进入管壁温度爬坡阶段，若转速小于规定的转速值则表明起动失败报警停车处理。
所述的太阳能斯特林发电机组发电系统的控制方法，其特征在于，所述的爬坡阶段，控制系统检测机组的转速，若在规定时间内机组转速达到系统设定的爬坡转速，控制系统关闭太阳能斯特林发电机组工质短路阀，则结合太阳阳光强度的变化情况，若短路阀闭合后的管壁温度能在规定时间内达到系统设定值机组爬坡管壁温度，则进入运行阶段，反之则报警停车处理。
所述的太阳能斯特林发电机组发电系统的控制方法，其特征在于，所述的运行阶段，根据此时发电机组的管壁温度和最高管壁温度设定值控制工质压力的数值，控制方法如下：计算最高管壁温度和最高管壁温度设定值的差值，将该值进行pid计算得到工质压力设定值的变化值，根据该变化值调节工质进排气阀。通过调节机组的工质压力控制斯特林发动机加热器管壁温度，使之工作在材料的最高安全范围内。
所述的太阳能斯特林发电机组发电系统的控制方法，其特征在于，太阳能斯特林发电机组停车时，机组控制系统首先控制短路阀开启，接着控制聚光碟运行回到安全位置，监测机组管壁温度达到设定值机组第一停车温度后，控制系统使控制机组的发电机停止，此时，水泵仍然工作，待监测机组管壁温度达到设定值机组第二停车温度后，控制系统使控制机组的水泵停止，完成整个停车工作。
所述的太阳能斯特林发电机组发电系统的控制方法，其特征在于，所述的维护是指根据太阳能斯特林发电机组发电系统工作需要，控制系统控制太阳能斯特林发电机组停止在相应的位置：碟维护位置、发动机维护位置。
所述的太阳能斯特林发电机组发电系统的控制方法，其特征在于，聚光碟跟踪太阳采用的是程序跟踪与光敏跟踪相结合的方法。
所述任何一项权利要求所述的太阳能斯特林发电机组控制系统及方法，其特征在于，所述的工质短路阀为电磁阀。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供太阳能斯特林发电机组控制系统及方法，通过检测单元检测太阳能斯特林发电机组的系统参数，进而由判断单元判断太阳能斯特林发电机组系统参数与该参数设定值的大小，最终由控制单元根据判定单元的判定结果控制太阳能斯特林发电机组的发电机、水泵和短路电磁阀的开启或停止的时机，可以给机组带来一定的好处。如在拖动前，控制水泵工作，可以有效防止斯特林发动机内部的热量过度积聚而损坏发动机部件，拖动时工质短路阀待机组转速达到一定数值才闭合可以有效降低对太阳能斯特林发电机组相关部件如传动部件的冲击作用力以及发电机的电磁力冲击和热应力冲击，进而降低对相关部件造成损伤的机率，从而提高相关部件的使用寿命和可靠性，降低碟式斯特林发电机组的故障率。
2、本发明提供太阳能斯特林发电机组控制系统及方法，在太阳能斯特林发电机组运行阶段，计算最高管壁温度和最高管壁温度设定值的差值，将该值进行pid计算得到工质压力设定值的变化值，根据该变化值调节工质进排气阀。通过调节机组的工质压力控制斯特林发动机加热器管壁温度，使之工作在材料的最高安全范围内，可以保证斯特林发动机加热器不会因过热而烧毁，造成太阳能斯特林发电机组故障，同时，由于工质压力的控制使斯特林发动机加热器管壁温度尽可能的高，太阳能斯特林发电机组的发电效率较高，机组的经济性也相对较高。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对太阳能斯特林发电机组控制系统及方法上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1为本发明的太阳能斯特林发电机组控制系统的结构框图。
附图标记说明
1-检测单元：
11-阳光强度检测模块；12-机组转速检测模块；13-管壁温度检测模块；14-工质压力检测模块；15-水温检测模块；16-风速检测模块；
2-判断单元：
21-阳光强度检测模块；12-机组转速检测模块；13-管壁温度检测模块；14-工质压力检测模块；15-水温检测模块；16-风速检测模块；
3-控制单元：
31-发电机；32-水泵；33-电磁阀；44-聚光碟。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，图中细线的连接表示电连接，空心的箭头线表示信号的连接。
在本发明的实施例中，参照图1所示，太阳能斯特林发电机组控制系统包括检测单元1、判断单元2和控制单元3。检测单元1用于检测太阳能斯特林发电机组的太阳阳光强度、机组转速、管壁温度、工质压力、水温以及风速，并将检测结果发送至判断单元2；判断单元2用语根据设定值判断所述检测单元1的检测值所处范围，并将判断结果发送至控制单元3；控制单元3用于根据判断单元2的判断结果完成太阳能斯特林发电机组工作过程控制。
检测单元1由阳光强度检测模块11、机组转速检测模块12、管壁温度检测模块13、工质压力检测模块14、水温检测模块15和风速检测模块16组成。其中，阳光强度检测模块11，其用于检测太阳能斯特林发电机组所处环境下的太阳阳光强度；机组转速检测模块12，其用于检测太阳能斯特林发电机组的飞轮转速；管壁温度检测模块13，其用于检测太阳能斯特林发电机组的加热器管壁上的温度；工质压力检测模块14，其用于检测太阳能斯特林发电机组中的工质气体压力；水温检测模块15，其用于检测太阳能斯特林发电机组中冷却循环系统水的温度；风速检测模块16，其用于检测太阳能斯特林发电机组所处环境下的风速。
判断单元2包括：阳光强度判断模块21、机组转速判断模块22、管壁温度判断模块23、工质压力判断模块24、水温判断模块25和水温判断模块26。阳光强度判断模块21，其用于根据所述阳光强度检测模块11的检测结果，判断所述环境太阳阳光强度与设定光强(机组起动、停车光强)的大小，并将判断结果发送至所述控制单元3；机组转速判断模块22，其用于根据所述机组转速检测模块12的检测结果，判断所述机组转速与设定转速(拖动转速、爬坡转速、运行转速和停车转速)的大小，并将判断结果发送至所述控制单元3；管壁温度判断模块23，其用于根据所述管壁温度检测模块13的检测结果，判断机组加热器管壁温度与设定值(机组起动管壁温度、机组爬坡管壁温度、机组运行温度和停车温度)的大小，并将判断结果发送至所述控制单元3；工质压力判断模块24，其用于根据机组工质压力检测模块14的检测结果，判断机组工质压力与设定值(起动压力、运行压力)的大小，并将判断结果发送至所述控制单元3；水温判断模块25，其用于根据机组水温检测模块15的检测结果，判断机组水温与设定停机水温的大小，并将判断结果发送至所述控制单元3；风速判断模块26，其用于根据机组风速检测模块16的检测结果，判断机组所处环境的风速与设定停机风速的大小，并将判断结果发送至所述控制单元3。
控制单元3，控制单元3控制的对象分别为发电机31、水泵32、电磁阀33和聚光碟34。用于在机组工作过程中，先由检测单元1完成成太阳能斯特林发电机组的状态检测，并将检测结果发送至判断单元2，判断单元2根据系统设定值判定检测单元1检测值处在的范围，再将判断结果发送至控制单元3，控制单元3完成太阳能斯特林发电机组工作过程控制。
管壁温度检测模块13测量机组加热器管壁温度使用的传感器是热电偶。
在本实施例中，本发明提出的太阳能斯特林发电机组控制系统及方法，其控制方法描述如下：
在本实施例中，将机组工作过程分为联锁检查、聚光升温、拖动、爬坡、运行和停车等阶段组成。
在本实施例中，将机组工作状态分为：准备、起动、运行、停车和维护。
在本实施例中，所述的准备工作状态是指太阳能斯特林发电机组发电系统每次开始工作时，控制系统即将进行的一系列自检工作，即联锁检查工作过程；所述的起动工作状态是指太阳能斯特林发电机组发电机组转速由零到设定额定转速的区间范围内，机组控制系统进行的聚光升温、拖动、爬坡工作控制过程阶段；所述的运行工作状态是指根据阳光强度变化情况调节机组工质压力，进而控制机组管壁温度工作在最高安全范围内，使转速变化缓慢，系统工作稳定；所述的停车工作状态是指控制系统按照停车逻辑过程控制太阳能斯特林发电机组完成机组停车工作；所述的维护工作是指控制系统按机组维护的要求，控制单元3控制阳能斯特林发电机组的聚光碟34停在维护工作所要求的位置，以进行相应的几组维护工作。
联锁检查阶段检测单元1、判断单元2和控制单元3完成太阳能斯特林发电机组发电系统各个传感器的检查，同时完成以下工作：
1)检查聚光碟34转动性能；
2)检查太阳光强度是否大于机组起动光强设定值；
3)检查太阳能斯特林发电机组所处环境的风速是否小于停车风速；
4)检查机组工质压力是否在规定的起动压力范围内。
如果上述条件中的任意一个参数不满足，则报故障位，且进入停车状态，没有故障进入聚光升温阶段。
聚光升温阶段控制单元3完成聚光碟34的太阳跟踪控制，使太阳光均匀聚焦在斯特林发动机的加热器上，同时控制单元3控制太阳能斯特林发电机组的水泵32运行。根据不同的太阳光强度，若管壁温度在规定的相应时间内达到机组起动管壁温度设定值，则进入拖动阶段，反之则报警停车处理。
拖动阶段，控制单元3控制开启太阳能斯特林发电机组的发电机31，同时检测太阳能斯特林发电机组的转速。若在规定时间内机组转速达到系统设定的拖动转速则表明起动成功段并进入管壁温度爬坡阶段，若转速小于规定的转速值则表明起动失败报警停车处理。
爬坡阶段，控制系统检测机组的转速，若在规定时间内机组转速达到系统设定的爬坡转速，控制单元3控制关闭太阳能斯特林发电机组工质短路阀33，则结合太阳阳光强度的变化情况，若短路阀闭合后的管壁温度能在规定时间内达到系统设定值机组爬坡管壁温度，则进入运行阶段，反之则报警停车处理。
运行阶段，控制单元3根据此时发电机组的管壁温度和最高管壁温度设定值控制工质压力的数值，控制方法如下：控制单元3计算最高管壁温度和最高管壁温度设定值的差值，将该值进行pid计算得到工质压力设定值的变化值，根据该变化值调节工质进排气阀35。通过调节机组的工质压力控制斯特林发动机加热器管壁温度，使之工作在材料的最高安全范围内。
太阳能斯特林发电机组停车时，控制聚光碟34偏离运行回到安全位置，监测机组管壁温度达到设定值机组第一停车温度后，控制单元3首先控制短路阀33开启，接着控制单元3使控制机组的发电机31停止，此时，水泵32仍然工作，待监测机组管壁温度达到设定值机组第二停车温度后，控制单元3使控制机组的水泵32停止，完成整个停车工作。
维护是指根据太阳能斯特林发电机组发电系统工作需要，控制单元3控制太阳能斯特林发电机组停止在相应的位置：聚光碟34维护位置、发动机维护位置。
在本实施例中，聚光碟34跟踪太阳采用的是程序跟踪与光敏跟踪相结合的方法。
在本实施例中，工质短路阀33为电磁阀。
在本实施例中，发电机21是异步发电机，在拖动阶段，控制单元3控制控制发电机起动，此时发电机31带动斯特林发动机转动，当机组转速上升到设定的爬坡转速，控制单元3使机组的工质短路阀33闭合，逐渐形成斯特林循环，转换为斯特林发动机带动发电机31转动，当转动的速度超过发电机的同步转速后，发电机处于发电状态。
太阳能斯特林发电机组在停车时，控制单元3首先控制聚光碟34偏离，切断机组能量供应，由于斯特林发动机内仍有残余的热量，斯特林发动机热头的温度仍然较高，不能立刻停车，需要将该温度降低至安全数值后整个机组再停止运动，发电系统仍能发电，斯特林发动机拖动发电机31转动，但发电功率逐渐减小，当转速下降低于发电机31同步转速时，太阳能斯特林发电机组发电为零，转化为发电机31拖动斯特林发动机转动，整个系统作为制冷机运行以降低斯特林发动机的温度，达到设定数值后，控制单元3首先控制短路阀33开启，接着控制单元3使控制机组的发电机31停止，此时，水泵32仍然工作，待监测机组管壁温度达到设定值机组第二停车温度后，控制单元3使控制机组的水泵32停止，完成整个停车工作。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。