中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊:2017年4月24-26日,第七屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在蘇州香格里拉酒店圓滿召開,來自中、美、英、德、澳、日、韓等國(guó)家的1400余位嘉賓到場(chǎng)參會(huì)。大會(huì)共邀請(qǐng)140余位行業(yè)專家與企業(yè)代表,圍繞產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)話題,發(fā)表了一系列精彩演講,中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)將向讀者傳遞本次大會(huì)最具價(jià)值的聲音。
大會(huì)期間,天津大學(xué)副教授王議鋒在“儲(chǔ)能電站暨微電網(wǎng)專場(chǎng)”,以《微電網(wǎng)的運(yùn)行和規(guī)劃問題》為題發(fā)表演講,現(xiàn)將演講主要內(nèi)容發(fā)布,以饗讀者。
王議鋒:我叫王議鋒,來自天津大學(xué),很高興能夠有這個(gè)機(jī)會(huì)來做這個(gè)報(bào)告,我是代替天津大學(xué)的郭力教授來做匯報(bào)的。我對(duì)微電網(wǎng)這塊的裝置理解的不是很深入,希望大家多多包涵。
剛才各位專家高屋建瓴,從各個(gè)方面做了很完整的介紹,我想就微電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行這方面,我們之前做過的事情做一個(gè)介紹
我來自天津大學(xué)教育部智冷電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,所以我們?cè)诩夹g(shù)研究和裝置研發(fā),和系統(tǒng)開發(fā)、工程應(yīng)用方面都有一些成果。我本人對(duì)這些東西不是特別了解,說的時(shí)候可能不是特別具體,如果各位前輩同行有興趣的話,可以到天津大學(xué)做訪問交流。
技術(shù)研究方面,主要包括微網(wǎng)規(guī)劃,和微網(wǎng)能量管理技術(shù),研制開發(fā)方面我們做了一些設(shè)備研制,和軟件開發(fā),包括規(guī)劃軟件,運(yùn)行監(jiān)控軟件和管理軟件,工程應(yīng)用我們做了一些獨(dú)立微網(wǎng)的項(xiàng)目也做了一些并網(wǎng)型的項(xiàng)目,天津大學(xué)的智能電網(wǎng)教育部實(shí)驗(yàn)室在我們國(guó)家是做微電網(wǎng)方面最早也是最完善的一個(gè)科研機(jī)構(gòu)之一。
今天的匯報(bào)包括四個(gè)方面,首先是微電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃。我們知道對(duì)于一個(gè)微網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃,一般是基于兩個(gè)層面,基于雙層的微網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,外層優(yōu)化模塊決定的是最優(yōu)設(shè)備組合和設(shè)備容量。內(nèi)層優(yōu)化模塊根據(jù)外層的優(yōu)化模塊給出的優(yōu)化配置方案,計(jì)算系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行策略。我們課題組主要處理的問題是針對(duì)不確定性的問題,因?yàn)槲⒕W(wǎng)做規(guī)劃的時(shí)候,不確定性是一個(gè)主要的問題。針對(duì)這個(gè)不確定性問題,我們提出了包括魯棒優(yōu)化方法,隨機(jī)機(jī)會(huì)優(yōu)化方法,主要處理的是包括負(fù)荷預(yù)測(cè)的不決定性,還有成本預(yù)測(cè)的不確定性的問題。首先是并網(wǎng)型的,也就是我們要把微網(wǎng)系統(tǒng)連接到大電網(wǎng)之后,這樣一個(gè)系統(tǒng),我們?cè)谧鲆?guī)劃設(shè)計(jì)的時(shí)候,它需要考慮的問題是比如光伏容量,儲(chǔ)能容量,還有儲(chǔ)能更換計(jì)劃,還有儲(chǔ)能成本下降的不決定性和負(fù)荷增長(zhǎng)的不確定性。我們在傳統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上提出了兩階段魯棒優(yōu)化建模方法。對(duì)于這樣一個(gè)建模方法來講,首先要考慮的是不確定極,對(duì)于這樣一些輸入?yún)?shù),怎么樣在成本上面和負(fù)荷增長(zhǎng)上面的不決定性進(jìn)行建模研究,包括不確定性的偏差,和不確定性調(diào)節(jié)參數(shù),引入這兩個(gè)系數(shù)。
目前函數(shù)方面,主要是尋求一組投資組合和儲(chǔ)能更換計(jì)劃,極小化規(guī)劃期內(nèi)的最惡劣場(chǎng)景下的投資成本。這個(gè)可能是電網(wǎng)里面比較專業(yè)的東西,所以這里就不細(xì)講。
這里主要是對(duì)參數(shù)進(jìn)行隊(duì)列替換,采用bonds(音)分解方法進(jìn)行解耦,最后利用微電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行文化的交叉求解得到的一種結(jié)果,上面是并網(wǎng)型的,對(duì)于獨(dú)立微網(wǎng)的設(shè)計(jì)方法需要考慮的重點(diǎn)問題又不太一樣,主要是包括資源和負(fù)荷的不決定性,還有負(fù)荷的可靠性和分布式電源容量,所以對(duì)于獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì),首先要考慮運(yùn)行場(chǎng)景聚類分析,也就是我們利用實(shí)測(cè)的或者歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的聚類分析,得到一些離散的典型場(chǎng)景,在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行多狀態(tài)的可靠性建模。最后再進(jìn)行多狀態(tài)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。
首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類操作,作用就是想對(duì)大規(guī)模的數(shù)據(jù),比如現(xiàn)在研究的大數(shù)據(jù)的概念,對(duì)于這些大數(shù)據(jù)我們要進(jìn)行數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化,所以這個(gè)操作主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的典型化的操作。在數(shù)據(jù)操作之后我們需要考慮多能系統(tǒng),它的資源隨機(jī)性和設(shè)備可靠性的結(jié)合,這樣一個(gè)結(jié)合可以準(zhǔn)確的評(píng)估可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的供電可靠性。
然后是系統(tǒng)狀態(tài)和可靠性指標(biāo)的設(shè)計(jì),因?yàn)槲覀兊亩嗄芟到y(tǒng)里面包含源網(wǎng)和多種狀態(tài),所以我們對(duì)它進(jìn)行插機(jī)??煽啃灾笜?biāo)包括負(fù)荷的切電時(shí)間期望,還有電量不足的期望等等這樣一些參數(shù)。這個(gè)是以加拿大某一個(gè)獨(dú)立的微電網(wǎng)為例,對(duì)它的數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)際的分析。我們可以看到對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類操作之后,可以得到一些很典型的運(yùn)行場(chǎng)景,這樣的話有助于我們數(shù)據(jù)特征的提取。
這是系統(tǒng)最優(yōu)化配置之后的結(jié)果,我們可以看得到采用這樣一個(gè)規(guī)劃方法,我們可以得到不同的規(guī)劃方法之后的設(shè)備的容量,也可以得到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,和可靠性指標(biāo),甚至是可以得到新能源的利用率,滲透率的這樣一些指標(biāo)。比如針對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng),我們得到的結(jié)論,風(fēng)電接入大規(guī)模降低系統(tǒng)的總成本,有一個(gè)節(jié)能就是儲(chǔ)能的接入,它的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)并不明顯,但是能夠提高風(fēng)能的滲透率,減小柴發(fā)的容量,所以儲(chǔ)能接入可以降低污染物的排放,并不能直接帶來經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)。
從可靠性的角度,我們來論證規(guī)劃的結(jié)果,我們可以看到儲(chǔ)能在可靠性變化的時(shí)候,它對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性的變化并沒有那么大影響,第二個(gè)方面是講微電網(wǎng)運(yùn)行控制的研究,現(xiàn)在非常典型的就是交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)的混合體,直流微電網(wǎng)現(xiàn)在開始越來越引起研究者的關(guān)注,特別是直流配電網(wǎng)和直流用電網(wǎng)。對(duì)于這樣一個(gè)微電網(wǎng)而言,它存在的問題有三個(gè)方面:第一是交流微電網(wǎng)它的電壓頻率、交流側(cè)的控制。第二是直流微電網(wǎng)的母線電壓的控制,第三是多種分布式電源的協(xié)調(diào)控制,這樣三個(gè)方面的問題。我們目前采用的方法是引入到微電網(wǎng)的分層控制體系,在不同的時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)層面的控制,最后完成電氣量的控制,電能質(zhì)量調(diào)節(jié)以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制,實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展性以及提高微電網(wǎng)整體的運(yùn)行性能。
在傳統(tǒng)的交流微電網(wǎng)的運(yùn)行控制方面我們主要工作是兩個(gè)方面:一是儲(chǔ)能與同步發(fā)電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制,包括雙電源的切換控制,儲(chǔ)能阻尼控制和調(diào)頻控制。這就和剛才南瑞講的虛擬同步機(jī)的概念有點(diǎn)相似,利用儲(chǔ)能來提高系統(tǒng)的阻尼,和它的關(guān)量。
第二是通過混合儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率分配方法,通過兩級(jí)控制合理給出超級(jí)電容和蓄電池的指令功率值,將蓄電池和超級(jí)電容的SOC調(diào)整到合理工作范圍?;旌蟽?chǔ)能的配置方式,在電網(wǎng)里面也具有很好的控制的優(yōu)勢(shì)。
下面這些是具體的控制圖,對(duì)交直流混合的微電網(wǎng)統(tǒng)一控制,目前我們主要的關(guān)注點(diǎn)在接口電路,也就是逆變器的對(duì)整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性有至關(guān)重要的作用。由于電網(wǎng)的系統(tǒng)功率都比較大,所以多逆變性的并聯(lián),實(shí)現(xiàn)交直流微電網(wǎng)相互支撐是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。這就包含兩個(gè)方面的內(nèi)容,一個(gè)是互聯(lián)容量本身比較大,多逆變器進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行。還有一種是什么?它們之間存在多個(gè)互聯(lián)通道,這個(gè)時(shí)候也可能會(huì)存在多個(gè)逆變器分散并聯(lián)的問題??傮w來講,都要解決多逆變器的協(xié)調(diào)控制。我們主要的研究是交直流混合,微電網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑切換,比如并網(wǎng)時(shí)候的PQ控制和離網(wǎng)時(shí)候的AF控制。還有無互聯(lián)通信的多變流器協(xié)調(diào)控制,現(xiàn)在咱們的這種系統(tǒng)層面的控制,對(duì)于通信系統(tǒng)的依賴非常嚴(yán)重,通信系統(tǒng)的延時(shí)和它的可靠性對(duì)我們的控制會(huì)有很大的影響,所以我們很希望能夠通過這種沒有互聯(lián)的通信控制方式,進(jìn)行協(xié)調(diào)控制算法的研究,最后希望控制器結(jié)構(gòu)通用,而且易于實(shí)現(xiàn)即插即用這樣的功能,最終目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的通用化,控制模式的靈活性,和即插即用。
這個(gè)是我們對(duì)于直流母線電壓控制的一些研究,是基于非干擾觀測(cè)器的控制系統(tǒng),包括一個(gè)核心的非線性干擾觀測(cè)器,實(shí)際上就是一個(gè)非線性前饋,包括下垂控制,包括電壓電流雙閉環(huán)控制,包括基于2GA廣義積分器的電源濾波器的電流反饋,這樣一個(gè)系統(tǒng)我們希望它實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是什么呢,目標(biāo)一個(gè)是要減小電壓環(huán),提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度,保持系統(tǒng)可以在較大的下垂系數(shù),減小線路阻抗對(duì)于簇率分配的影響,我要實(shí)現(xiàn)無通訊互聯(lián)線的分布式的控制。
第二,我要提高直流母線電壓控制系統(tǒng)的抗干擾的性能,也就是我在提高穩(wěn)定的同時(shí),我還要保證這個(gè)系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程中,盡量減少波動(dòng),所以減少暫態(tài)時(shí)直接母線電壓的波動(dòng),這是我們?cè)谥绷鱾?cè)集中控制這塊做的工作。
在分散式協(xié)同控制方面我們也做了一些工作,主要的控制目標(biāo)是什么呢?對(duì)于這樣一個(gè)獨(dú)立的直流微網(wǎng)系統(tǒng),我們第一個(gè)要保證直流母線電壓的穩(wěn)定,第二個(gè)要保證在這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)儲(chǔ)能單元,根據(jù)自身的SOC和容量合理分配出力。第三個(gè),希望各單元靈活切換控制模式,主動(dòng)參與母線電壓的調(diào)節(jié)和控制。
上述目標(biāo)的手段,主要是采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分布式的通訊網(wǎng)絡(luò),意思就是每一個(gè)分布式電源只與臨近節(jié)點(diǎn)通信,憑借自身或者臨近單元信息,智能的實(shí)現(xiàn)上述的控制目標(biāo)。
這是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室已經(jīng)做出來的一些初步成果,可以看到在考慮線路的阻抗,和考慮各個(gè)單元容量不一致的控制模式下面,我們已經(jīng)取得了一些初步的結(jié)果。
因?yàn)檫@種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊結(jié)構(gòu),它造成的系統(tǒng)延時(shí)和信息的缺失是更加嚴(yán)重的,所以我們的控制效果看右圖的實(shí)驗(yàn)工況1和試驗(yàn)工況2,肯定是沒有完全依賴全通訊系統(tǒng)的控制方式,它的效果沒有那么好,但是起碼我們能夠保證這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定,同時(shí)減少對(duì)通訊系統(tǒng)的依賴。
在微網(wǎng)能量管理方面,主要研究的基于多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)的滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度方法,我們主要的目標(biāo)是要減小長(zhǎng)時(shí)間尺度的預(yù)測(cè)誤差,同時(shí)又要減小短時(shí)間的計(jì)算量,所以它的技術(shù)特點(diǎn),一個(gè)是要可再生能源多時(shí)間尺度的出力預(yù)測(cè),第二個(gè)是多目標(biāo)優(yōu)化,第三個(gè)是與能量平衡策略共同實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)能量?jī)?yōu)化。前面講的是裝置層面的,這里講的是系統(tǒng)管理層面的。我們以一個(gè)工程實(shí)例來分析這個(gè)問題,這是一個(gè)孤網(wǎng)運(yùn)行的含風(fēng)機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)以及儲(chǔ)能的獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng),它的負(fù)荷是海水淡化負(fù)荷機(jī)組作為可控負(fù)荷,研究了其含可控負(fù)荷的能量管理方法,提出了基于超短期預(yù)測(cè)和改進(jìn)硬充電策略的實(shí)時(shí)控制方法,能量管理根據(jù)風(fēng)速預(yù)測(cè)結(jié)果,制訂機(jī)組投切計(jì)劃,能夠有效減少柴油消耗量,提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。我們沒有完全以儲(chǔ)能作為控制的補(bǔ)償量和誤差的修正,而是以負(fù)荷的平移,作為我們對(duì)負(fù)荷偏差的補(bǔ)償。后面我們應(yīng)該可以看到,在這種優(yōu)化調(diào)度的時(shí)間上的偏差問題,可能不僅僅要靠?jī)?chǔ)能去進(jìn)行修整,而更多的是靠可控負(fù)荷和儲(chǔ)能同時(shí)進(jìn)行,這樣的話可以保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。
這個(gè)是多能系統(tǒng),有冷熱電聯(lián)供的微網(wǎng)系統(tǒng)的不確定調(diào)度,這樣一個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度會(huì)更復(fù)雜,包括各設(shè)備的啟停計(jì)劃,蓄冰裝置的蓄融冰的計(jì)劃,多冷機(jī)系統(tǒng)供冷分配,還有可再生能源日前預(yù)測(cè)誤差,所以它的優(yōu)化量更多,它的偏差量更多。我們針對(duì)這個(gè)問題采用的是兩階段的魯棒建模的方法。
這也是一個(gè)典型的例子,并網(wǎng)型的微網(wǎng),里面有光伏,也有地緣熱泵這樣的新能源系統(tǒng),采用的是兩層的調(diào)度框架。剛才在前面已經(jīng)講到了,兩階段的魯棒控制,最主要的就是不確定極的制訂,所以我們需要尋找一組設(shè)備,日前的運(yùn)行組合極小化的最惡劣的場(chǎng)景運(yùn)行成本,不確定的調(diào)節(jié)參數(shù)可以調(diào)整整體運(yùn)行方案的魯棒性。
我們可以看到它的輸入數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)運(yùn)行的模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù),和日前的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),這個(gè)當(dāng)然就要包含它的誤差了,還有一個(gè)是不確定極的制訂,這是它典型的一個(gè)運(yùn)行結(jié)果,我們可以看到它日間的運(yùn)行總成本,約占27.86%,降低了低于傳統(tǒng)方法的28.28%,取得了一定的經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)。
這是針對(duì)魯棒優(yōu)化的不確定范圍進(jìn)行的對(duì)比仿真結(jié)果,我們可以看到25%和50%設(shè)計(jì)的日負(fù)荷的場(chǎng)景下面,隨著不確定性偏差縮放系數(shù)的增大,微網(wǎng)日間運(yùn)行成本呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),所以這個(gè)不確定性越大的時(shí)候,運(yùn)營(yíng)成本會(huì)呈現(xiàn)增加。
隨著不確定性系數(shù)的繼續(xù)增加,這個(gè)方法就已經(jīng)不具備特別明顯的變化規(guī)律了,所以說這個(gè)時(shí)候它的優(yōu)勢(shì)就會(huì)變的很低。
在這個(gè)時(shí)候我們對(duì)不同的控制策略進(jìn)行比較的話就會(huì)發(fā)現(xiàn),在25%和50%設(shè)計(jì)的日負(fù)荷的場(chǎng)景中間,也就是我的可控偏差在能接受的范圍內(nèi)的時(shí)候,魯棒運(yùn)行策略和模型預(yù)測(cè)控制方法,它的均值是相近的。但是前者在標(biāo)準(zhǔn)型上面有一定的優(yōu)勢(shì)。如果說魯棒優(yōu)化的偏差在75%到100%的時(shí)候,這個(gè)時(shí)候它的優(yōu)勢(shì)就已經(jīng)不明顯了。最后我們得出的結(jié)論是什么,在25%到100%的設(shè)計(jì)日負(fù)荷場(chǎng)景中間,可選用魯棒運(yùn)行,在75%或者以后,就可以采用這種模型控制和魯棒運(yùn)行優(yōu)化的結(jié)合,這樣可以保證系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性。
后面是一些現(xiàn)在我們做的一些事情介紹。這個(gè)是我們已經(jīng)做的微電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件,這個(gè)軟件的好處就是,我可以可視化的去對(duì)微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程,同時(shí)我們還可以對(duì)它所有的組件進(jìn)行特性的編輯,結(jié)果就可以得到它包括容量的配比,甚至它的運(yùn)行數(shù)據(jù)都能得到,所以這樣一個(gè)軟件,是能夠更直觀的指導(dǎo)我們進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。
設(shè)備方面,這些設(shè)備不是我本人做的,30kVA光儲(chǔ)虛擬同步機(jī),和250kVA液流用的DC/DC雙向充放電。
如果去過天津大學(xué)的應(yīng)該都知道,天津大學(xué)現(xiàn)在正在運(yùn)行的一個(gè)微網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng),它可以實(shí)時(shí)的采集我們整個(gè)系統(tǒng)里面所有的數(shù)據(jù)。這個(gè)是它的主界面。所以這個(gè)是天津大學(xué)已經(jīng)建成的一個(gè)可以仿真50多種運(yùn)行模式的交流微電網(wǎng)。我們也正在建一個(gè)直流微電網(wǎng),我們希望對(duì)現(xiàn)在這個(gè)做直流配電和直流用電方面的研究做一些前瞻性的技術(shù)探討。它的特點(diǎn)一個(gè)是多端的環(huán)狀結(jié)構(gòu),然后是雙極型的三線制,比如說正負(fù)400伏或者正負(fù)200伏再加上地線。第三個(gè)是六段的直流母線,最后是利用隔離型的DC/DC柔性互聯(lián),直流微電網(wǎng)最大的好處就是它的柔性互聯(lián)會(huì)更容易,更簡(jiǎn)單。而且它可以形成一個(gè)環(huán)網(wǎng),所以直流微電網(wǎng)如果不保護(hù)裝置方面,它的安全性是具有一些優(yōu)勢(shì)的,最后要考慮分布式電源靈活接入,直流微電網(wǎng)還有一個(gè)特點(diǎn)它對(duì)于光伏、儲(chǔ)能這樣的裝置,它能夠更高效、更靈活的接入。
后面是我們實(shí)驗(yàn)室在微電網(wǎng)方面做過的一些項(xiàng)目,包括廣東佛山的冷/熱電聯(lián)供的微電網(wǎng)系統(tǒng)。這是我們國(guó)家首個(gè)冷電的微電網(wǎng)。第二個(gè)是浙江的東福山島的微電網(wǎng)系統(tǒng),也是我們國(guó)家目前最大的海島微電網(wǎng)。第三個(gè)是廣東萬山群島的微電網(wǎng),第四個(gè)是加拿大魁北克原住民區(qū)的微電網(wǎng)。最后是西藏阿里獅泉河微電網(wǎng),包括南方電網(wǎng)5兆瓦的儲(chǔ)能電站,還有江蘇大豐的萬噸海水淡化獨(dú)立微電網(wǎng)項(xiàng)目。咱們課題組做了很多事情,但是因?yàn)槲也皇沁@個(gè)行業(yè)的專家,所以很多事情沒有講的很清楚,如果有感興趣的前輩和同行,可以到我們學(xué)校去看一看,謝謝。
(本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錄音整理,未經(jīng)本人審核)




