中國儲能網訊：2017年4月24-26日，第七屆中國國際儲能大會在蘇州香格里拉酒店圓滿召開，來自中、美、英、德、澳、日、韓等國家的1400余位嘉賓到場參會。大會共邀請140余位行業(yè)專家與企業(yè)代表，圍繞產業(yè)熱點話題，發(fā)表了一系列精彩演講，中國儲能網將向讀者傳遞本次大會最具價值的聲音。
大會期間，天津大學副教授王議鋒在“儲能電站暨微電網專場”，以《微電網的運行和規(guī)劃問題》為題發(fā)表演講，現(xiàn)將演講主要內容發(fā)布，以饗讀者。
王議鋒：我叫王議鋒，來自天津大學，很高興能夠有這個機會來做這個報告，我是代替天津大學的郭力教授來做匯報的。我對微電網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，從各個方面做了很完整的介紹，我想就微電網規(guī)劃和運行這方面，我們之前做過的事情做一個介紹
我來自天津大學教育部智冷電網重點實驗室，所以我們在技術研究和裝置研發(fā)，和系統(tǒng)開發(fā)、工程應用方面都有一些成果。我本人對這些東西不是特別了解，說的時候可能不是特別具體，如果各位前輩同行有興趣的話，可以到天津大學做訪問交流。
技術研究方面，主要包括微網規(guī)劃，和微網能量管理技術，研制開發(fā)方面我們做了一些設備研制，和軟件開發(fā)，包括規(guī)劃軟件，運行監(jiān)控軟件和管理軟件，工程應用我們做了一些獨立微網的項目也做了一些并網型的項目，天津大學的智能電網教育部實驗室在我們國家是做微電網方面最早也是最完善的一個科研機構之一。
今天的匯報包括四個方面，首先是微電網的優(yōu)化規(guī)劃。我們知道對于一個微網的優(yōu)化規(guī)劃，一般是基于兩個層面，基于雙層的微網多目標優(yōu)化設計方法，外層優(yōu)化模塊決定的是最優(yōu)設備組合和設備容量。內層優(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，計算系統(tǒng)最優(yōu)運行策略。我們課題組主要處理的問題是針對不確定性的問題，因為微網做規(guī)劃的時候，不確定性是一個主要的問題。針對這個不確定性問題，我們提出了包括魯棒優(yōu)化方法，隨機機會優(yōu)化方法，主要處理的是包括負荷預測的不決定性，還有成本預測的不確定性的問題。首先是并網型的，也就是我們要把微網系統(tǒng)連接到大電網之后，這樣一個系統(tǒng)，我們在做規(guī)劃設計的時候，它需要考慮的問題是比如光伏容量，儲能容量，還有儲能更換計劃，還有儲能成本下降的不決定性和負荷增長的不確定性。我們在傳統(tǒng)建模的基礎上提出了兩階段魯棒優(yōu)化建模方法。對于這樣一個建模方法來講，首先要考慮的是不確定極，對于這樣一些輸入?yún)?shù)，怎么樣在成本上面和負荷增長上面的不決定性進行建模研究，包括不確定性的偏差，和不確定性調節(jié)參數(shù)，引入這兩個系數(shù)。
目前函數(shù)方面，主要是尋求一組投資組合和儲能更換計劃，極小化規(guī)劃期內的最惡劣場景下的投資成本。這個可能是電網里面比較專業(yè)的東西，所以這里就不細講。
這里主要是對參數(shù)進行隊列替換，采用bonds（音）分解方法進行解耦，最后利用微電網的規(guī)劃和運行文化的交叉求解得到的一種結果，上面是并網型的，對于獨立微網的設計方法需要考慮的重點問題又不太一樣，主要是包括資源和負荷的不決定性，還有負荷的可靠性和分布式電源容量，所以對于獨立微網系統(tǒng)的規(guī)劃設計，首先要考慮運行場景聚類分析，也就是我們利用實測的或者歷史數(shù)據(jù)進行大規(guī)模數(shù)據(jù)的聚類分析，得到一些離散的典型場景，在這個基礎上進行多狀態(tài)的可靠性建模。最后再進行多狀態(tài)的規(guī)劃設計。
首先要對數(shù)據(jù)進行聚類操作，作用就是想對大規(guī)模的數(shù)據(jù)，比如現(xiàn)在研究的大數(shù)據(jù)的概念，對于這些大數(shù)據(jù)我們要進行數(shù)據(jù)的簡化，所以這個操作主要是進行數(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)，它的資源隨機性和設備可靠性的結合，這樣一個結合可以準確的評估可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的供電可靠性。
然后是系統(tǒng)狀態(tài)和可靠性指標的設計，因為我們的多能系統(tǒng)里面包含源網和多種狀態(tài)，所以我們對它進行插機。可靠性指標包括負荷的切電時間期望，還有電量不足的期望等等這樣一些參數(shù)。這個是以加拿大某一個獨立的微電網為例，對它的數(shù)據(jù)進行了實際的分析。我們可以看到對大量的數(shù)據(jù)進行聚類操作之后，可以得到一些很典型的運行場景，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)化配置之后的結果，我們可以看得到采用這樣一個規(guī)劃方法，我們可以得到不同的規(guī)劃方法之后的設備的容量，也可以得到系統(tǒng)的經濟性，和可靠性指標，甚至是可以得到新能源的利用率，滲透率的這樣一些指標。比如針對這樣一個系統(tǒng)，我們得到的結論，風電接入大規(guī)模降低系統(tǒng)的總成本，有一個節(jié)能就是儲能的接入，它的經濟性優(yōu)勢并不明顯，但是能夠提高風能的滲透率，減小柴發(fā)的容量，所以儲能接入可以降低污染物的排放，并不能直接帶來經濟性的優(yōu)勢。
從可靠性的角度，我們來論證規(guī)劃的結果，我們可以看到儲能在可靠性變化的時候，它對系統(tǒng)的經濟性的變化并沒有那么大影響，第二個方面是講微電網運行控制的研究，現(xiàn)在非常典型的就是交流微電網和直流微電網的混合體，直流微電網現(xiàn)在開始越來越引起研究者的關注，特別是直流配電網和直流用電網。對于這樣一個微電網而言，它存在的問題有三個方面：第一是交流微電網它的電壓頻率、交流側的控制。第二是直流微電網的母線電壓的控制，第三是多種分布式電源的協(xié)調控制，這樣三個方面的問題。我們目前采用的方法是引入到微電網的分層控制體系，在不同的時間尺度上實現(xiàn)設備級和系統(tǒng)層面的控制，最后完成電氣量的控制，電能質量調節(jié)以及經濟運行控制，實現(xiàn)微電網控制系統(tǒng)的標準化、可擴展性以及提高微電網整體的運行性能。
在傳統(tǒng)的交流微電網的運行控制方面我們主要工作是兩個方面：一是儲能與同步發(fā)電機組的協(xié)調控制，包括雙電源的切換控制，儲能阻尼控制和調頻控制。這就和剛才南瑞講的虛擬同步機的概念有點相似，利用儲能來提高系統(tǒng)的阻尼，和它的關量。
第二是通過混合儲能系統(tǒng)有功功率分配方法，通過兩級控制合理給出超級電容和蓄電池的指令功率值，將蓄電池和超級電容的SOC調整到合理工作范圍?；旌蟽δ艿呐渲梅绞剑陔娋W里面也具有很好的控制的優(yōu)勢。
下面這些是具體的控制圖，對交直流混合的微電網統(tǒng)一控制，目前我們主要的關注點在接口電路，也就是逆變器的對整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性有至關重要的作用。由于電網的系統(tǒng)功率都比較大，所以多逆變性的并聯(lián)，實現(xiàn)交直流微電網相互支撐是一個關鍵點。這就包含兩個方面的內容，一個是互聯(lián)容量本身比較大，多逆變器進行并聯(lián)運行。還有一種是什么？它們之間存在多個互聯(lián)通道，這個時候也可能會存在多個逆變器分散并聯(lián)的問題?？傮w來講，都要解決多逆變器的協(xié)調控制。我們主要的研究是交直流混合，微電網運行模式的平滑切換，比如并網時候的PQ控制和離網時候的AF控制。還有無互聯(lián)通信的多變流器協(xié)調控制，現(xiàn)在咱們的這種系統(tǒng)層面的控制，對于通信系統(tǒng)的依賴非常嚴重，通信系統(tǒng)的延時和它的可靠性對我們的控制會有很大的影響，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，進行協(xié)調控制算法的研究，最后希望控制器結構通用，而且易于實現(xiàn)即插即用這樣的功能，最終目標就是要實現(xiàn)控制結構的通用化，控制模式的靈活性，和即插即用。
這個是我們對于直流母線電壓控制的一些研究，是基于非干擾觀測器的控制系統(tǒng)，包括一個核心的非線性干擾觀測器，實際上就是一個非線性前饋，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，這樣一個系統(tǒng)我們希望它實現(xiàn)的目標是什么呢，目標一個是要減小電壓環(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)，減小線路阻抗對于簇率分配的影響，我要實現(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，我還要保證這個系統(tǒng)在動態(tài)過程中，盡量減少波動，所以減少暫態(tài)時直接母線電壓的波動，這是我們在直流側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，主要的控制目標是什么呢？對于這樣一個獨立的直流微網系統(tǒng)，我們第一個要保證直流母線電壓的穩(wěn)定，第二個要保證在這個系統(tǒng)內部的各個儲能單元，根據(jù)自身的SOC和容量合理分配出力。第三個，希望各單元靈活切換控制模式，主動參與母線電壓的調節(jié)和控制。
上述目標的手段，主要是采用點對點的分布式的通訊網絡，意思就是每一個分布式電源只與臨近節(jié)點通信，憑借自身或者臨近單元信息，智能的實現(xiàn)上述的控制目標。
這是我們在實驗室已經做出來的一些初步成果，可以看到在考慮線路的阻抗，和考慮各個單元容量不一致的控制模式下面，我們已經取得了一些初步的結果。
因為這種點對點的通訊結構，它造成的系統(tǒng)延時和信息的缺失是更加嚴重的，所以我們的控制效果看右圖的實驗工況1和試驗工況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系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時減少對通訊系統(tǒng)的依賴。
在微網能量管理方面，主要研究的基于多時間尺度協(xié)調的滾動優(yōu)化調度方法，我們主要的目標是要減小長時間尺度的預測誤差，同時又要減小短時間的計算量，所以它的技術特點，一個是要可再生能源多時間尺度的出力預測，第二個是多目標優(yōu)化，第三個是與能量平衡策略共同實現(xiàn)微電網能量優(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。我們以一個工程實例來分析這個問題，這是一個孤網運行的含風機和柴油發(fā)電機以及儲能的獨立微網系統(tǒng)，它的負荷是海水淡化負荷機組作為可控負荷，研究了其含可控負荷的能量管理方法，提出了基于超短期預測和改進硬充電策略的實時控制方法，能量管理根據(jù)風速預測結果，制訂機組投切計劃，能夠有效減少柴油消耗量，提高系統(tǒng)經濟性。我們沒有完全以儲能作為控制的補償量和誤差的修正，而是以負荷的平移，作為我們對負荷偏差的補償。后面我們應該可以看到，在這種優(yōu)化調度的時間上的偏差問題，可能不僅僅要靠儲能去進行修整，而更多的是靠可控負荷和儲能同時進行，這樣的話可以保證系統(tǒng)的經濟性。
這個是多能系統(tǒng)，有冷熱電聯(lián)供的微網系統(tǒng)的不確定調度，這樣一個系統(tǒng)的調度會更復雜，包括各設備的啟停計劃，蓄冰裝置的蓄融冰的計劃，多冷機系統(tǒng)供冷分配，還有可再生能源日前預測誤差，所以它的優(yōu)化量更多，它的偏差量更多。我們針對這個問題采用的是兩階段的魯棒建模的方法。
這也是一個典型的例子，并網型的微網，里面有光伏，也有地緣熱泵這樣的新能源系統(tǒng)，采用的是兩層的調度框架。剛才在前面已經講到了，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備，日前的運行組合極小化的最惡劣的場景運行成本，不確定的調節(jié)參數(shù)可以調整整體運行方案的魯棒性。
我們可以看到它的輸入數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)運行的模擬基礎數(shù)據(jù)，和日前的預測數(shù)據(jù)，這個當然就要包含它的誤差了，還有一個是不確定極的制訂，這是它典型的一個運行結果，我們可以看到它日間的運行總成本，約占27.86%，降低了低于傳統(tǒng)方法的28.28%，取得了一定的經濟性的優(yōu)勢。
這是針對魯棒優(yōu)化的不確定范圍進行的對比仿真結果，我們可以看到25%和50%設計的日負荷的場景下面，隨著不確定性偏差縮放系數(shù)的增大，微網日間運行成本呈現(xiàn)增加的趨勢，所以這個不確定性越大的時候，運營成本會呈現(xiàn)增加。
隨著不確定性系數(shù)的繼續(xù)增加，這個方法就已經不具備特別明顯的變化規(guī)律了，所以說這個時候它的優(yōu)勢就會變的很低。
在這個時候我們對不同的控制策略進行比較的話就會發(fā)現(xiàn)，在25%和50%設計的日負荷的場景中間，也就是我的可控偏差在能接受的范圍內的時候，魯棒運行策略和模型預測控制方法，它的均值是相近的。但是前者在標準型上面有一定的優(yōu)勢。如果說魯棒優(yōu)化的偏差在75%到100%的時候，這個時候它的優(yōu)勢就已經不明顯了。最后我們得出的結論是什么，在25%到100%的設計日負荷場景中間，可選用魯棒運行，在75%或者以后，就可以采用這種模型控制和魯棒運行優(yōu)化的結合，這樣可以保證系統(tǒng)整體的經濟性。
后面是一些現(xiàn)在我們做的一些事情介紹。這個是我們已經做的微電網優(yōu)化規(guī)劃設計軟件，這個軟件的好處就是，我可以可視化的去對微網的結構進行編程，同時我們還可以對它所有的組件進行特性的編輯，結果就可以得到它包括容量的配比，甚至它的運行數(shù)據(jù)都能得到，所以這樣一個軟件，是能夠更直觀的指導我們進行規(guī)劃和設計。
設備方面，這些設備不是我本人做的，30kVA光儲虛擬同步機，和250kVA液流用的DC/DC雙向充放電。
如果去過天津大學的應該都知道，天津大學現(xiàn)在正在運行的一個微網的監(jiān)控系統(tǒng)，它可以實時的采集我們整個系統(tǒng)里面所有的數(shù)據(jù)。這個是它的主界面。所以這個是天津大學已經建成的一個可以仿真50多種運行模式的交流微電網。我們也正在建一個直流微電網，我們希望對現(xiàn)在這個做直流配電和直流用電方面的研究做一些前瞻性的技術探討。它的特點一個是多端的環(huán)狀結構，然后是雙極型的三線制，比如說正負400伏或者正負200伏再加上地線。第三個是六段的直流母線，最后是利用隔離型的DC/DC柔性互聯(lián)，直流微電網最大的好處就是它的柔性互聯(lián)會更容易，更簡單。而且它可以形成一個環(huán)網，所以直流微電網如果不保護裝置方面，它的安全性是具有一些優(yōu)勢的，最后要考慮分布式電源靈活接入，直流微電網還有一個特點它對于光伏、儲能這樣的裝置，它能夠更高效、更靈活的接入。
后面是我們實驗室在微電網方面做過的一些項目，包括廣東佛山的冷/熱電聯(lián)供的微電網系統(tǒng)。這是我們國家首個冷電的微電網。第二個是浙江的東福山島的微電網系統(tǒng)，也是我們國家目前最大的海島微電網。第三個是廣東萬山群島的微電網，第四個是加拿大魁北克原住民區(qū)的微電網。最后是西藏阿里獅泉河微電網，包括南方電網5兆瓦的儲能電站，還有江蘇大豐的萬噸海水淡化獨立微電網項目。咱們課題組做了很多事情，但是因為我不是這個行業(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，可以到我們學校去看一看，謝謝。
（本文根據(jù)現(xiàn)場錄音整理，未經本人審核）
