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多学科交叉融合推进电力系统创新——华南理工大学陈皓勇教授

2017-11-16

华南理工大学陈皓勇教授以复杂(大规模、随机性、分布式、网络化)电力(能源)系统建模、分析、优化与控制为核心学术领域,长期从事电力系统规划、运行与控制,新能源并网和智能电网技术,电力经济与电力市场,综合能源系统等方向的基础前沿研究和教学工作,研究成果在国内外具有广泛影响并在电力行业得到应用。

一、大规模电力系统优化

电力系统的机组组合问题是运行优化中的一个经典难题,其目的是在满足电力系统技术条件约束的情况下,确定未来一定时期内发电机组的调度方案,以使系统总的运行成本(或燃料消耗)达到最小。陈皓勇教授借鉴自然界中的协同进化机制,引入生态系统的概念,并将电力系统类比于自然界中的生态系统,将其中的优化问题的求解映射为生态系统的进化。他系统地研究了电力系统运行与规划的大规模、非凸、离散与随机优化的理论、模型及算法后,提出适用于电力系统规划、运行与控制的协同进化算法,于1999年发表名为《电力系统机组组合问题的系统进化算法》的论文后,又于IEEE电力系统期刊发表一系列论文,研究成果得到国际上电力系统、人工智能、经济管理等不同领域科研人员的广泛引用,也在我国电力行业得到了重要应用。

基于这些研究,他参与的项目“电力系统的运行与规划的最优决策模型及方法研究”获2008年高等学校科学研究自然科学一等奖,于2016年8月由国际权威出版社John Wiley & Sons - IEEE Press出版英文专著Power System Optimization: Large-scale Complex Systems Approaches,是一部从大规模复杂系统方法的角度阐述电力系统优化方法的专著,引起国内外广泛关注。

二、电力系统分布式协同控制

电力系统包含大量分布式控制器,随着智能电网的大力发展,更多的新型控制器将被引入。这些控制器作用于不同层面,控制目标相互独立,甚至存在冲突,制定控制策略时若不进行协调,则可能导致各方相互牵制、抵消,背离控制目标。多个控制器的协调长期以来一直是电力系统领域悬而未决的难题。

经过多年的学术积累,陈皓勇将博弈论和控制理论相结合,发展出一种新型的电力系统控制理论和方法来解决这个问题,提出基于微分博弈理论的电力系统频率/电压协同控制模型及其求解算法,开拓了基于博弈论的电力系统多主体协同控制新方向。不同于传统的单主体控制,这种方法将每个控制器都视为独立决策主体,通过其间的自组织竞争达到均衡,更贴近于多控制器协调问题的本质。

他所负责的国家自然科学基金项目“基于微分博弈理论的电力系统最优协调电压控制研究”结题评价为优秀,并正在进一步深入研究相关理论,并拓展工程应用。

三、电力市场博弈分析与实验经济学研究

现阶段不断开放的市场环境下,电力系统中存在不同的利益主体,在规划和运行决策中通常都以自身利益最大化为目标,传统的统一优化模型难以适用。在这个背景下,陈皓勇教授立足博弈论,建立了一整套电力市场建模、分析与仿真研究方法,提出了运用多项式方程系统求解电力市场均衡的方法,形成了基于实验经济学的电力市场博弈分析系统理论和方法,并结合基于协同进化计算的智能模拟和实验经济学方法研究了电力市场主体的交易策略和市场均衡等问题。

相关研究成果已成功应用于“西北电力市场综合模拟系统”和“国家电力市场仿真系统”的开发,成为其核心技术。2015年3月,全国电力市场改革正紧锣密鼓地进行,陈皓勇提出的电力市场实验经济学方法已在多省电力市场设计中得到应用。

四、新能源并网条件下的电力系统随机优化

由新能源(风、光等)发电功率预测不准确导致的随机性和波动性给电力系统机组组合和经济调度带来新的挑战,作为国际上电力系统鲁棒调度思想的首先提出者之一,在极限场景法的基础上建立了含多风电场的电力系统鲁棒调度模型,并于2016年在国际期刊IEEE Transactions on Smart Grid上发表了1篇多类型新能源多时间尺度鲁棒调度的学术论文,并在理论研究的基础上,建立含多类型新能源的电力系统多时间尺度鲁棒调度系统,在海南岛国家智能电网示范工程中实施。

为考虑存在新能源等不确定性因素的条件下电网电压不越限的问题,陈皓勇提出了区间无功优化模型和求解方法,寻求一组最优的控制变量(发电机机端电压、变压器变比和无功补偿设备的补偿量),使得负荷节点电压等状态变量的整个区间值保持在安全运行的约束内,同时网损值处于较低的水平。

这些成果已成功应用于海南岛国家智能电网示范工程建设,其中主要的新能源功率预测系统、多时间尺度的鲁棒调度算法、时空协调的三级电压控制算法、基于微分博弈理论的电力系统频率协同控制算法4个部分均通过了第三方软件测试,已于2014年底投入运行。

五、能量网络理论研究

在全世界面临能源枯竭与环境危机下,多种形式能源的综合利用已经成为必然趋势,综合能源(多能互补)被认为是未来能源(电力)系统发展的主流方向之一。自然界的一个基本物理现象是,虽然电作为物质不能转化为蒸汽或热,但能量可以由电转移到其他物质,反之亦然。在工程实践中,主要通过各种类型的网络为用户提供能量,包括电网、热网、燃气网等。由于本质上这些网络传递的都是能量,只是表现形式不同,所以均能统称为能量网络。

基于热力学(非平衡态热力学与寂态热力学)、电网络、传热学与流体力学(流体网络理论),陈皓勇建立了描述多种能源耦合系统的能量网络理论,在国内外引起很大反响,相关论文《能量网络的传递规律与网络方程》(《西安交通大学学报》2014年10期)为综合能源(多能互补)系统建模与分析奠定了基础。

六、打造博慎能源智库

为了推动能源(电力)行业的产学研合作,陈皓勇教授牵头组建了“博慎能源智库(Universal & Prudential Think Tank, U&P Think Tank),是中国南方地区首家独立的能源(电力)专业智库,致力于能源(电力)领域的学术(技术)交流与跨学科综合解决方案的提供。

智库得名于《中庸·第二十章》中的名句“博学之,审问之,慎思之,明辨之,笃行之”。在陈皓勇教授的带领下,智库围绕复杂(大规模、随机性、分布式、网络化)电力(能源)系统建模、分析、优化与控制的核心问题,以解决工程实践中的难题为目标,以多学科交叉研究和跨行业综合应用为特色,重视基础理论和方法的探索。广泛采用信息/通信、优化/控制、线性/非线性系统、网络理论和经济管理的前沿理论、方法和先进技术,在电力系统规划、运行与控制,新能源并网和智能电网技术,电力经济与电力市场,综合能源系统等领域具有深厚的理论与技术积累。

博慎能源智库与国内外能源(电力)学术界、工程界和政府部门均保持密切合作关系,打通从学术到产业的“最后一公里”,为广大学者、管理人员和技术人员提供合作交流平台,为中国能源(电力)行业的发展提供智力服务,并致力于推进能源(电力)领域的国际合作。