中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：3月23日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦并聯(lián)合500余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十五屆儲(chǔ)能大會(huì)暨展覽會(huì)（簡(jiǎn)稱“CIES2025”）在杭州國(guó)際博覽中心召開。
CIES大會(huì)以“綠色、數(shù)智、融合、創(chuàng)新”為主題，針對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)等重點(diǎn)、熱點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題展開充分探討，分享可持續(xù)發(fā)展政策機(jī)制、資本市場(chǎng)、國(guó)際市場(chǎng)、成本疏導(dǎo)、智能化系統(tǒng)集成技術(shù)、供應(yīng)鏈體系、商業(yè)模式、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、示范項(xiàng)目應(yīng)用案例、新產(chǎn)品以及解決方案的普及和規(guī)?；こ虘?yīng)用。
在3月24日上午進(jìn)行的數(shù)智化工商業(yè)儲(chǔ)能解決方案與商業(yè)案例專場(chǎng)中，合肥工業(yè)大學(xué)副教授李明做了題為《新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)》的主題報(bào)告演講。
以下內(nèi)容根據(jù)大會(huì)發(fā)言整理提煉，僅供參考。
合肥工業(yè)大學(xué)副教授李明
大家好，非常感謝會(huì)務(wù)組邀請(qǐng)我來(lái)做這個(gè)報(bào)告。我們從高校的角度，關(guān)于做什么樣儲(chǔ)能的系統(tǒng)，我就立了這樣一個(gè)題目，叫新能源發(fā)電集群分布式穩(wěn)定控制技術(shù)，我們都知道現(xiàn)在儲(chǔ)能有一個(gè)特別火的詞叫構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能，我這一次想給大家講一講我們?cè)诟咝Ｗ鰳?gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能之前跟網(wǎng)型儲(chǔ)能怎么用的，變換器在中間怎么樣控的?，F(xiàn)在最新的一些研究技術(shù)是如何開展的，我們進(jìn)入這一次主題演講。
我首先做一個(gè)簡(jiǎn)單的個(gè)人介紹，本人來(lái)自合肥工業(yè)大學(xué)，是副教授，我?guī)煆挠谛履茉措姽る娮宇I(lǐng)域的著名教授合肥工業(yè)大學(xué)張興老師，博士畢業(yè)去了清華大學(xué)另一位著名教授耿華老師的課題組做進(jìn)一步研究。我有兩個(gè)研究的方向，叫新能源并網(wǎng)與新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，這個(gè)電力電子或者電氣工程領(lǐng)域是非常關(guān)鍵的內(nèi)容，我這次匯報(bào)也是講這個(gè)的。
結(jié)合了我在清華大學(xué)的博士后經(jīng)歷，博士期間學(xué)的是電氣工程，到了清華做的是控制科學(xué)和與工程，我們俗稱的自動(dòng)化，電氣和自動(dòng)化做了一個(gè)結(jié)合。提出了分布式協(xié)同穩(wěn)定，這一次也是給大家講一講，我們?cè)诳刂疲缓笠氲叫履茉窗l(fā)電領(lǐng)域，怎么指導(dǎo)儲(chǔ)能到我們新能源變換中間裝置的控制方法。
本人是合肥工業(yè)大學(xué)“黃山學(xué)者”，我也是中國(guó)電源學(xué)會(huì)青工委的常務(wù)委員，也獲過(guò)我們很多學(xué)會(huì)的獎(jiǎng)。比如我們這個(gè)行業(yè)里面有其他學(xué)會(huì)，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)、中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)、中國(guó)電氣傳動(dòng)學(xué)會(huì)的優(yōu)秀論文獎(jiǎng)都獲過(guò)，也是拿到過(guò)中國(guó)電源學(xué)會(huì)的青年托舉，這是大概的介紹。
我們進(jìn)入到這一次主題，首先是研究背景，我剛剛簡(jiǎn)單跟大家講了一下，這有兩大類的控制方法。實(shí)際上這一次也做一個(gè)科普，大家可能都知道構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能很火，與它對(duì)應(yīng)的一個(gè)詞叫跟網(wǎng)型控制或者叫跟網(wǎng)型儲(chǔ)能。本質(zhì)是對(duì)于我們儲(chǔ)能一次能源怎么樣轉(zhuǎn)化到新能源的并網(wǎng)中，或者給用電負(fù)荷，中間裝置有兩大類控制，一個(gè)叫跟網(wǎng)，一個(gè)叫構(gòu)網(wǎng)，這兩個(gè)方法特別有意思，最核心的是第四行的端口特性，這個(gè)告訴我們，跟網(wǎng)和構(gòu)網(wǎng)中，一個(gè)呈現(xiàn)電流源，一個(gè)是呈現(xiàn)電壓源，我們右邊這個(gè)圖給大家看了一下，我們電流源在電動(dòng)里面叫諾頓電路，在構(gòu)網(wǎng)型在電路里面是戴維南電路。這個(gè)就有意思了，一個(gè)電流源叫跟網(wǎng)的，就是說(shuō)我電流不能獨(dú)立存在，必須跟隨著我們第一類傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)，這有電壓上升或者頻率的參考源，所以叫跟網(wǎng)，叫跟蹤電網(wǎng)或者跟隨電網(wǎng)。
構(gòu)網(wǎng)型控制，電壓源可以獨(dú)立存在的，現(xiàn)在叫組網(wǎng)或者構(gòu)網(wǎng)是這么來(lái)的。這兩類看的特點(diǎn)，我們做了這個(gè)表格，看著很復(fù)雜。我們都知道變換器，電力電子設(shè)備由于我們做工業(yè)器件，時(shí)間尺度非常寬泛，我們傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)幾十年的發(fā)展，有很多種方法，包括有很多院士出了很多書，關(guān)于傳統(tǒng)的同步機(jī)怎么控的，機(jī)電尺度怎么做控制的。實(shí)際上現(xiàn)在我們講的電力電子裝備跟網(wǎng)和構(gòu)網(wǎng)有很多種方法，但是大家都知道現(xiàn)在目前這個(gè)問(wèn)題還沒(méi)有完全解決，大規(guī)模的去加新能源的電力電子裝備，比如說(shuō)光伏和逆變器，還有我們配儲(chǔ)能，都導(dǎo)致了我們現(xiàn)在新能源有大規(guī)模接入。我們圍繞著這個(gè)問(wèn)題，這兩類我們下面去詳細(xì)地講。
我們?nèi)魏蔚难芯慷家フ乙粋€(gè)邊界，我們現(xiàn)在講的構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能解決什么樣的問(wèn)題，是振蕩。我們講的振蕩這個(gè)詞，一早是出現(xiàn)在跟網(wǎng)型中的，包括我們最早講的一些國(guó)內(nèi)的事故，比如說(shuō)次同步振蕩或者超同步振蕩，還有一些在國(guó)外發(fā)生的，海上風(fēng)電里面發(fā)生的各種型的振蕩，波形都很類似于右邊這個(gè)圖，本質(zhì)是由于跟網(wǎng)的五個(gè)優(yōu)勢(shì)，大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)用會(huì)發(fā)現(xiàn)振起來(lái)了，我們?cè)趺崔k呢？要去做一些改進(jìn)。我們這一次想著給大家講一下，我們學(xué)術(shù)界把這個(gè)跟網(wǎng)型控制，用在我們變換器里面，或者用在我們儲(chǔ)能這個(gè)中間轉(zhuǎn)化裝置中，最新的一些是什么樣技術(shù)，基于無(wú)源性理論的并網(wǎng)變流器跟網(wǎng)型控制設(shè)計(jì)。
我們首先找一個(gè)場(chǎng)景，我們舉的例子是新能源發(fā)電站，光伏和風(fēng)機(jī)，在這個(gè)中間裝置是通過(guò)一個(gè)DC-AC轉(zhuǎn)化的，很多時(shí)候我們廠家需要配儲(chǔ)的，所以儲(chǔ)能在里面起到很大的關(guān)鍵作用，無(wú)論怎么說(shuō)光伏還是風(fēng)電還是我們儲(chǔ)能，中間都是有這個(gè)變換器，他們都是統(tǒng)一化的研究，我們關(guān)注于網(wǎng)側(cè)的接入點(diǎn)的特性。我們講這樣系統(tǒng)，有一個(gè)特別重要的事情，我們?cè)跀U(kuò)展的時(shí)候，或者說(shuō)在檢修的時(shí)候有一個(gè)即插即用，這個(gè)對(duì)我們想要研究變換器本身來(lái)講，這有一個(gè)特點(diǎn)，就是隨機(jī)性，復(fù)雜性。這給我們逆變器帶來(lái)了一個(gè)挑戰(zhàn)，這個(gè)很泛，我們可以通過(guò)控制理論的詞叫魯棒性，外面在變，我自己要變得堅(jiān)強(qiáng)一點(diǎn)，我們的想法讓我們的變換器，或者說(shuō)中間的變流器能夠在這樣復(fù)雜的接入場(chǎng)景下，能夠保證很好的運(yùn)行穩(wěn)定和高效，這是我們的目標(biāo)。
我們講這個(gè)場(chǎng)景有一個(gè)什么特殊化的問(wèn)題呢？我們都知道剛才振蕩的問(wèn)題是別人實(shí)測(cè)的，我們就做了一個(gè)仿真，在即插即用的時(shí)候，比如說(shuō)三個(gè)變換器一臺(tái)一臺(tái)往上接，接的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了什么問(wèn)題呢？它有一個(gè)振蕩頻率在漂移，我們傳統(tǒng)方案，比如說(shuō)非線性會(huì)做線性化，我們所有的自然界都是非線性的，但是我們?cè)谀骋粋€(gè)工作點(diǎn)上做線性化挺好的。
我們可以找這個(gè)點(diǎn)，比如說(shuō)這個(gè)振蕩從317Hz到283Hz，能找到一個(gè)線性化的點(diǎn)，但是總是差了一點(diǎn)。比如振蕩點(diǎn)在371Hz，而分析是315Hz，怎么辦呢？我們想這個(gè)問(wèn)題來(lái)自什么，來(lái)自設(shè)備，比如說(shuō)儲(chǔ)能在裝的時(shí)候要配的變換器，加進(jìn)去讓原先我們站在變換器角度上的工作點(diǎn)在變，我們實(shí)際上不知道怎么變的，所以說(shuō)很復(fù)雜，這是一個(gè)很復(fù)雜多維的變化。
傳統(tǒng)的方法是怎么辦呢？線性的方法，在我們控制器工作點(diǎn)，它的附近我們學(xué)過(guò)高數(shù)，叫領(lǐng)域范圍，附近去調(diào)，這種方法叫增益調(diào)度，這個(gè)方法很多文獻(xiàn)都在做，這個(gè)方法本身是非線性的，我們叫離散調(diào)節(jié)，一個(gè)一個(gè)像小階梯。但是問(wèn)題很嚴(yán)重，我們剛才場(chǎng)景是隨機(jī)的，復(fù)雜的，非線性的，人工調(diào)節(jié)是很難的?，F(xiàn)在包括高校在做AI可以解決這個(gè)問(wèn)題，但是AI用的控制上來(lái)講是變慢的，我們想能不能想一個(gè)辦法，不是用這種更先進(jìn)的AI方法，我們用控制的方法去解決這個(gè)問(wèn)題。
我們就把這個(gè)事改造，左邊是我們的跟網(wǎng)，右邊是我們的構(gòu)網(wǎng)，現(xiàn)在儲(chǔ)能的變換器中間用的方法，都是線性設(shè)計(jì)的。線性設(shè)計(jì)中間有一個(gè)線性PI控制器，我們想能不能找一個(gè)方法替換掉，替換成一開始設(shè)計(jì)，怎么設(shè)計(jì)都是穩(wěn)定的，這肯定會(huì)想到非線性控制方法，怎么樣想這個(gè)非線性控制方法呢？我們就找了一個(gè)理論工具叫無(wú)源性理論，這個(gè)理論非常早，大概20世紀(jì)八90年代就有了，這個(gè)理論涵蓋了現(xiàn)在講的電阻、電容的定義。
這個(gè)本質(zhì)是什么呢？Lyapunov理論告訴我們，任何一個(gè)系統(tǒng)只要是耗散的，或者說(shuō)找到一個(gè)能量函數(shù)，對(duì)于時(shí)間來(lái)講，它是正的能量函數(shù)，對(duì)于時(shí)間的變化來(lái)講是小于0的，就會(huì)衰減。
這個(gè)理論跟Lyapunov的證明是有關(guān)聯(lián)的，我們把這個(gè)方法用到這里來(lái)特別有意思，這指出了什么呢？單機(jī)擴(kuò)展到多機(jī)協(xié)同仍舊穩(wěn)定，我們找到這個(gè)方法能夠保證任何一個(gè)儲(chǔ)能變換器，不管是跟網(wǎng)還是構(gòu)網(wǎng)，這種理論去指導(dǎo)設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)好了之后，單個(gè)是穩(wěn)定的，因?yàn)閱蝹€(gè)穩(wěn)定之后能夠找到一個(gè)能量函數(shù)小于的，這個(gè)就是穩(wěn)定的。
擴(kuò)展的時(shí)候，因?yàn)槟芰亢瘮?shù)是標(biāo)量的，這是一個(gè)標(biāo)量函數(shù)，怎么樣加減之后并求導(dǎo)，我們都知道這是一個(gè)線性的，求導(dǎo)的時(shí)候?qū)τ诩硬挥绊懽詈笮∮?的特性，這個(gè)自然而然滿足了一個(gè)優(yōu)勢(shì)，我們講的擴(kuò)展儲(chǔ)能的系統(tǒng)，這個(gè)變換器怎么接都是穩(wěn)定的，這個(gè)思想現(xiàn)在說(shuō)清楚了。
左邊這個(gè)圖形漏斗，能量最終會(huì)落到最后，最底下的點(diǎn)。我們最簡(jiǎn)單的思想給大家講過(guò)之后，我們后面會(huì)有詳細(xì)的方法。這個(gè)就是我們的方法論了，比如說(shuō)我以最經(jīng)典的，現(xiàn)在用得最多的跟網(wǎng)型儲(chǔ)能變換器怎么控的，我們把這個(gè)思想無(wú)源性用起來(lái)，這有三大塊，我們的目標(biāo)是動(dòng)和穩(wěn)要都好，而且要抗擾，抗擾其實(shí)就是魯棒，所以既快，又穩(wěn)，又魯棒，這就是目標(biāo)。圍繞著這三個(gè)目標(biāo)有三個(gè)序號(hào)1、2、3。
1是底層，叫作無(wú)源控制器，就是用我們剛才說(shuō)無(wú)源器理論設(shè)計(jì)的，怎么并聯(lián)擴(kuò)展都是穩(wěn)定的，然后頂層做一些上層建筑，頂層有兩件事，第一個(gè)事是抗擾，就是魯棒。
2是觀測(cè)器，這個(gè)很有意思，無(wú)源性理論在用的過(guò)程中，我們講通常很多時(shí)候?qū)嶋H傳感器都拿不到無(wú)法觀測(cè)的擾動(dòng)信息，尤其是我們工商業(yè)界為了節(jié)省成本，我們傳感器盡可能少，這怎么辦呢？我們結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，既然你都用非線性理論，無(wú)源性用上了，何不把觀測(cè)器控制方法，非線性理論也用起來(lái)，所以把1的基礎(chǔ)上，在上層加了一個(gè)觀測(cè)器，我等一下講一下觀測(cè)器是怎么設(shè)計(jì)的。
3是穩(wěn)定之外的一個(gè)動(dòng)態(tài)性能。動(dòng)態(tài)在我們系統(tǒng)里面有一個(gè)有意思的詞，實(shí)際上就是協(xié)同，要讓這個(gè)系統(tǒng)保證在單個(gè)是很好的情況下，多個(gè)也是很好。
這三個(gè)我們是怎么做的呢？一個(gè)是我們把無(wú)源控制器設(shè)得很好，保證無(wú)源性和穩(wěn)定性。第二個(gè)是抗擾。第三個(gè)是調(diào)整動(dòng)態(tài)，調(diào)整動(dòng)態(tài)就是調(diào)整阻尼。
最后要求是什么呢？把觀測(cè)器和我的無(wú)源控制器全部像傳統(tǒng)PI控制器發(fā)成一個(gè)控制框圖，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有那么復(fù)雜。實(shí)際上我在從控制到電氣跨過(guò)去，發(fā)現(xiàn)右邊這個(gè)圖非常像傳統(tǒng)的PI控制圖，dq軸都對(duì)稱，有一個(gè)上對(duì)稱和下對(duì)稱的圖，這就是一個(gè)精簡(jiǎn)的Lyapunov的推導(dǎo)過(guò)程，我們可以看到能用，而且可解釋的一個(gè)圖。
我們后面講無(wú)源控制器和觀測(cè)器都做好了之后，我們要做一個(gè)動(dòng)，單個(gè)做得好，我們多個(gè)也要好，多個(gè)怎么好，要系統(tǒng)里面阻尼指標(biāo)來(lái)評(píng)估。這個(gè)費(fèi)了一點(diǎn)力氣，我們先做仿真，大的系統(tǒng)或者說(shuō)儲(chǔ)能變換器接到并網(wǎng)點(diǎn)上一個(gè)什么特點(diǎn)呢？我們剛才講的諾頓電路和戴維南電路都是一個(gè)源加一個(gè)阻抗，這個(gè)阻抗的變化會(huì)不會(huì)影響我的動(dòng)態(tài)呢？我就去測(cè)這個(gè)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)阻抗從小到大的時(shí)候，我們可以最后看到收斂，這是無(wú)源性決定的，這肯定是穩(wěn)定的，但是動(dòng)態(tài)會(huì)有一些變化。
我們目標(biāo)找到多個(gè)系統(tǒng)怎么樣做協(xié)同的時(shí)候，這個(gè)阻抗和我們動(dòng)態(tài)的振蕩幅值或者說(shuō)調(diào)整的時(shí)間是什么關(guān)系，我們就找，找到一個(gè)什么關(guān)系呢？非線性的下垂曲線，這個(gè)非線性下垂曲線找到的時(shí)候令人非常振奮，我們都知道，我們電力系統(tǒng)里面控制同步機(jī)叫下垂控制，或者電力電子里面有一個(gè)叫下垂控制，這都是基于有功和頻率的下垂，無(wú)功和電壓的下垂。我們找到這個(gè)時(shí)候就發(fā)現(xiàn)，任何單機(jī)滿足這個(gè)下垂曲線肯定是無(wú)通訊線的，所以就自然滿足這個(gè)目標(biāo)了。我們把這個(gè)事理論完備了，我們做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，振蕩到穩(wěn)定，其動(dòng)態(tài)是有一個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程，通過(guò)調(diào)整動(dòng)態(tài)的時(shí)候，自動(dòng)去調(diào)整，就會(huì)通過(guò)下垂曲線慢慢把振蕩抑制下來(lái)。
我們到構(gòu)網(wǎng)型方法跟這個(gè)非常類似，傳統(tǒng)PI控制構(gòu)網(wǎng)現(xiàn)在很多企業(yè)都在做，高校也在做，他們到底面臨什么樣問(wèn)題，我們總結(jié)了四點(diǎn)，這也是我們課題組做了很多工作。比如說(shuō)第一和第二點(diǎn)比較統(tǒng)一，功率響應(yīng)慢和我們的MPPT慢，這都是動(dòng)態(tài)的問(wèn)題，我們之前做了很多工作。我自己本人也做了很多切換控制方法，這也是我們要解決一和二的問(wèn)題。
三和四的問(wèn)題是電壓源的本質(zhì)問(wèn)題，電壓源輸出阻抗很小，就跟我們外端電網(wǎng)做匹配會(huì)有問(wèn)題，在弱網(wǎng)下，我們都講構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能，最開始的想法接到大規(guī)模的高滲透率的弱網(wǎng)下是穩(wěn)定的，但是我們都知道這個(gè)新能源有間歇性和波動(dòng)性，這有時(shí)弱，有時(shí)會(huì)變強(qiáng)，在某個(gè)時(shí)刻，所以會(huì)發(fā)生振蕩，我們右邊這個(gè)圖一樣，會(huì)有一些振蕩的問(wèn)題。
這個(gè)電壓源輸出阻抗小，幾個(gè)電壓源并在一塊，它的輸出阻抗變得更小了，所以串?dāng)_嚴(yán)重，解決這個(gè)最好的方法就是加虛擬阻抗。
現(xiàn)在構(gòu)網(wǎng)型控制有幾類，下垂，虛擬同步機(jī)和虛擬振蕩器，這些方法都有一個(gè)問(wèn)題：?jiǎn)蝹€(gè)穩(wěn)定的，但是多個(gè)不一定穩(wěn)定，這是因?yàn)榭刂票旧韺?dǎo)致的。我們想能不能改造一下，改成無(wú)源性。
觀測(cè)器加我們底層的無(wú)源控制器，也是一樣的，這是這樣結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)把我們儲(chǔ)能的變換器變成構(gòu)網(wǎng)型無(wú)源化設(shè)計(jì)的，這就穩(wěn)定了。我們還做了一個(gè)什么事呢？它跟跟網(wǎng)型控制，跟隨電網(wǎng)有一個(gè)鎖相，這里所提的構(gòu)網(wǎng)控制是用功率環(huán)做同步的，我們都知道這個(gè)問(wèn)題，我們剛才講的下垂方法，也有這個(gè)約束，怎么樣變得無(wú)源化，這里我們用了微分的無(wú)源方法，這微分之后系統(tǒng)看作一個(gè)新的系統(tǒng)，做了一個(gè)微分的輸入，讓它滿足了嚴(yán)格的微分無(wú)源，實(shí)際上還是無(wú)源性的，只是做了一次微分，我們就能把整個(gè)構(gòu)網(wǎng)型控制，整體變得滿足我們的穩(wěn)定要求了。
我們做驗(yàn)證是穩(wěn)定的，電網(wǎng)從強(qiáng)到弱都是穩(wěn)定的。我們跟傳統(tǒng)的方法對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其他傳統(tǒng)方法可能也會(huì)振蕩，我們這個(gè)方法能夠保證單個(gè)到多個(gè)都是穩(wěn)定的。
我們最終給大家展現(xiàn)的小結(jié)，跟網(wǎng)方法還在用，這是最經(jīng)濟(jì)的。大家現(xiàn)在講的工商業(yè)儲(chǔ)能還是以跟網(wǎng)型為主，但是探究構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能，提升弱網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性這是目前最火熱的話題，有很多的方法，包括我們的方法也是一種。這種無(wú)源性分布式的方法，是一開始就把這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是無(wú)源的，怎么樣多機(jī)擴(kuò)展都是穩(wěn)定的，這也是一個(gè)非常好的思路，特別適合做儲(chǔ)能變換器設(shè)計(jì)，并且我們儲(chǔ)能本身就是保守的或者是有裕量的，這種無(wú)源性的方法去設(shè)計(jì)是符合和貼切于現(xiàn)在所要的需求。
謝謝大家！
