中國儲能網(wǎng)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(chǎn)業(yè)熱點話題，發(fā)表了一系列精彩演講，中國儲能網(wǎng)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(xué)副教授王議鋒在“儲能電站暨微電網(wǎng)專場”，以《微電網(wǎng)的運行和規(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)，很高興能夠有這個機會來做這個報告，我是代替天津大學(xué)的郭力教授來做匯報的。我對微電網(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，從各個方面做了很完整的介紹，我想就微電網(wǎng)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(xué)教育部智冷電網(wǎng)重點實驗室，所以我們在技術(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(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，運行監(jiān)控軟件和管理軟件，工程應(yīng)用我們做了一些獨立微網(wǎng)的項目也做了一些并網(wǎng)型的項目，天津大學(xué)的智能電網(wǎng)教育部實驗室在我們國家是做微電網(wǎng)方面最早也是最完善的一個科研機構(gòu)之一。
今天的匯報包括四個方面，首先是微電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃。我們知道對于一個微網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃，一般是基于兩個層面，基于雙層的微網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法，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(wǎng)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(yù)測的不決定性，還有成本預(yù)測的不確定性的問題。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，這樣一個系統(tǒng)，我們在做規(guī)劃設(shè)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(chǔ)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(diào)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(nèi)的最惡劣場景下的投資成本。這個可能是電網(wǎng)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(wǎng)的規(guī)劃和運行文化的交叉求解得到的一種結(jié)果，上面是并網(wǎng)型的，對于獨立微網(wǎng)的設(shè)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(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)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(chǔ)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(shè)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(shè)備可靠性的結(jié)合，這樣一個結(jié)合可以準(zhǔn)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(biāo)的設(shè)計，因為我們的多能系統(tǒng)里面包含源網(wǎng)和多種狀態(tài)，所以我們對它進行插機?？煽啃灾笜?biāo)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(wǎng)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(jié)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(shè)備的容量，也可以得到系統(tǒng)的經(jīng)濟性，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)。比如針對這樣一個系統(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，有一個節(jié)能就是儲能的接入，它的經(jīng)濟性優(yōu)勢并不明顯，但是能夠提高風(fēng)能的滲透率，減小柴發(fā)的容量，所以儲能接入可以降低污染物的排放，并不能直接帶來經(jīng)濟性的優(yōu)勢。
從可靠性的角度，我們來論證規(guī)劃的結(jié)果，我們可以看到儲能在可靠性變化的時候，它對系統(tǒng)的經(jīng)濟性的變化并沒有那么大影響，第二個方面是講微電網(wǎng)運行控制的研究，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)。對于這樣一個微電網(wǎng)而言，它存在的問題有三個方面：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，在不同的時間尺度上實現(xiàn)設(shè)備級和系統(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)濟運行控制，實現(xiàn)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、可擴展性以及提高微電網(wǎng)整體的運行性能。
在傳統(tǒng)的交流微電網(wǎng)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(diào)控制，包括雙電源的切換控制，儲能阻尼控制和調(diào)頻控制。這就和剛才南瑞講的虛擬同步機的概念有點相似，利用儲能來提高系統(tǒng)的阻尼，和它的關(guān)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(diào)整到合理工作范圍?；旌蟽δ艿呐渲梅绞?，在電網(wǎng)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(wǎng)統(tǒng)一控制，目前我們主要的關(guān)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(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)，實現(xiàn)交直流微電網(wǎng)相互支撐是一個關(guān)鍵點。這就包含兩個方面的內(nèi)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(diào)控制。我們主要的研究是交直流混合，微電網(wǎng)運行模式的平滑切換，比如并網(wǎng)時候的PQ控制和離網(wǎng)時候的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，對于通信系統(tǒng)的依賴非常嚴(yán)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(diào)控制算法的研究，最后希望控制器結(jié)構(gòu)通用，而且易于實現(xiàn)即插即用這樣的功能，最終目標(biāo)就是要實現(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(biāo)是什么呢，目標(biāo)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(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？對于這樣一個獨立的直流微網(wǎng)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(nèi)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(diào)節(jié)和控制。
上述目標(biāo)的手段，主要是采用點對點的分布式的通訊網(wǎng)絡(luò)，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(biāo)。
這是我們在實驗室已經(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。
因為這種點對點的通訊結(jié)構(gòu)，它造成的系統(tǒng)延時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(wǎng)能量管理方面，主要研究的基于多時間尺度協(xié)調(diào)的滾動優(yōu)化調(diào)度方法，我們主要的目標(biāo)是要減小長時間尺度的預(yù)測誤差，同時又要減小短時間的計算量，所以它的技術(shù)特點，一個是要可再生能源多時間尺度的出力預(yù)測，第二個是多目標(biāo)優(yōu)化，第三個是與能量平衡策略共同實現(xiàn)微電網(wǎng)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(wǎng)運行的含風(fēng)機和柴油發(fā)電機以及儲能的獨立微網(wǎng)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(yù)測和改進硬充電策略的實時控制方法，能量管理根據(jù)風(fēng)速預(yù)測結(jié)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(jīng)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(yīng)該可以看到，在這種優(yōu)化調(diào)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(jīng)濟性。
這個是多能系統(tǒng)，有冷熱電聯(lián)供的微網(wǎng)系統(tǒng)的不確定調(diào)度，這樣一個系統(tǒng)的調(diào)度會更復(fù)雜，包括各設(shè)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(yù)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(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，日前的運行組合極小化的最惡劣的場景運行成本，不確定的調(diào)節(jié)參數(shù)可以調(diào)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(chǔ)數(shù)據(jù)，和日前的預(yù)測數(shù)據(jù)，這個當(dāng)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(jié)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(jīng)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(jié)果，我們可以看到25%和50%設(shè)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(wǎng)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(jīng)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(shè)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(nèi)的時候，魯棒運行策略和模型預(yù)測控制方法，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。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(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(jié)合，這樣可以保證系統(tǒng)整體的經(jīng)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(jīng)做的微電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計軟件，這個軟件的好處就是，我可以可視化的去對微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)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(jié)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(dǎo)我們進行規(guī)劃和設(shè)計。
設(shè)備方面，這些設(shè)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(xué)的應(yīng)該都知道，天津大學(xué)現(xiàn)在正在運行的一個微網(wǎng)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(xué)已經(jīng)建成的一個可以仿真50多種運行模式的交流微電網(wǎng)。我們也正在建一個直流微電網(wǎng)，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(shù)探討。它的特點一個是多端的環(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(wǎng)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(wǎng)，所以直流微電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)。這是我們國家首個冷電的微電網(wǎng)。第二個是浙江的東福山島的微電網(wǎng)系統(tǒng)，也是我們國家目前最大的海島微電網(wǎng)。第三個是廣東萬山群島的微電網(wǎng)，第四個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)5兆瓦的儲能電站，還有江蘇大豐的萬噸海水淡化獨立微電網(wǎng)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(xué)校去看一看，謝謝。
（本文根據(jù)現(xiàn)場錄音整理，未經(jīng)本人審核）
