Model predictive control for the flexible operation of a once-through steam generator for solar power applications

Renewable energy is generally de ned as energy that is collected from resources which are naturally replenished on a human timescale. Thanks to their capacity to regenerate, many renewable energy resources are considered "inexhaustible", in the sense that regenerate at least at the same speed at which they are consumed. The technology of concentrating solar power plants, coupled with thermal storage, it is proving to be competitive in the energy market, contributing to dispatchability, as traditional fossil fuel, nuclear and hydro power plants. The Horizon 2020 PreFlexMS European project aims to introduce a Molten Salt Once Through Steam generator within the power unit, a technology which has greater exibility potential if compared to steam drum boilers, currently used in those plants. The main objective of the control system developed in this dissertation is to guarantee the aforementioned exibility requirements, together with the security plant operation, with an exploration of the once-through mode even at low loads, not originally planned by design documents. System dynamic analysis allowed to understand which were the most critical aspects, starting point of the control strategy development. The presence of a non-minimum phase dynamic response has required a more advanced, centralized, control strategy (linear MPC), in order to evaluate how it can guarantee in terms of robustness and performance, when a more rapid signal tracking is requested. The actual performance of the control system are tested into the simulation environment, with a critical analysis of the results.

Con il termine energie rinnovabili si intendono tutte quelle forme di energia che si rigenerano in tempi brevi se confrontati con i tempi caratteristici della storia umana. Grazie alla loro capacità di rigenerarsi, molte risorse energetiche rinnovabili sono considerate "inesauribili", nel senso che si rigenerano almeno alla stessa velocità con cui vengono consumate. La tecnologia degli impianti solari a concentrazione con accumulo termico si sta dimostrando essere competitiva nel mercato dell'energia elettrica, contribuendo alla dispacciabilità, nora fornita solo dai tradizionali impianti a combustione fossile, nucleare ed idroelettrici. Il progetto europeo Horizon 2020 PreFlexMS prevede l'introduzione, nel ciclo di potenza, di una caldaia a sali fusi ad attraversamento diretto, tecnologia che o re maggiori potenzialità in termini di essibilità d'esercizio rispetto ad una caldaia a corpo cilindrico, attualmente usata in questo tipo di impianti. Gli obiettivi principali del sistema di controllo sviluppato in questo lavoro sono di garantire tali requisiti ed allo stesso tempo il funzionamento in condizioni di sicurezza dell'impianto, con l'esplorazione dell'esercizio ad attraversamento diretto anche ai bassi carichi, inizialmente non previsto dai documenti progettuali. L'analisi dinamica del ciclo di potenza ha permesso di individuare quali fossero gli aspetti più critici, punto di partenza per la de nizione della strategia di controllo più appropriata. La presenza di un sistema a fase non minima, ha richiesto l'utilizzo di una strategia di controllo avanzata di tipo centralizzato (MPC lineare), per esaminare quanto questa possa garantire in termini di robustezza e prestazioni, quando viene richiesto di seguire riferimenti sui set-point più rapidi. L'e ettiva e cacia del sistema di controllo è stata poi veri cata in un ambiente di simulazione, con un'analisi critica dei risultati.