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创新提出自趋优虚拟电厂 驱动实现零碳能源系统——上海交通大学何光宇教授团队

2021-08-18

 

2015年,巴黎气候变化大会通过了《巴黎协定》,成为全球应对气候变化的转折点,引领世界迈向低碳可持续发展的未来。我国于2016年正式加入这一协定,明确提出了阶段性减碳计划,将低碳能源革命定义为“十三五”规划的重要目标。面对能源发展的新形势与新问题,国家明确要求“推进能源革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系”。
何光宇教授带领的智能用电与调度团队积极响应国家低碳能源革命的要求,致力于贯通海量的电力用户及其用电设备,搭建人与物、物与物之间的桥梁,赋能广域的电力需求侧,以期将分布式能源资源引入到电力系统运行与控制中,实现电力供给与需求的全面优化。团队在基于自律分散系统的智能用电网络研发、电器状态感知与用户行为画像、促进高比例新能源消纳的负荷准线机制、事故备用分散转移、自趋优虚拟电厂构建与运行技术等研究方向中取得了一系列理论和实践成果。
2020年11月,何光宇教授团队承担了国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项“自趋优虚拟电厂驱动零碳能源系统的关键技术与示范应用”。该项目由上海交通大学牵头,与日本环境能源技术研究所有限公司展开深度合作,将中方掌握的自趋优运行理论与日方提出并已成功应用的自律分散控制理论有机结合,为虚拟电厂的建设提供全新的理论基础。秉承目标导向的原则,着眼零碳能源系统,项目将研发一个自趋优虚拟电厂商业化平台,建设两座示范工程,攻克三大关键技术,探寻虚拟电厂落地应用的商业模式,形成可推广可复制的理论、技术、建设方案。
 
1 勇于创新,提出虚拟电厂的全新建设理念与理论
零碳是指人类生产生活所产生的碳排放可以完全由自然界中和,实现净零碳,不对环境造成新的负担。零碳是低碳的极致形式和最终目标,也是人类社会发展的终极要求。在现代社会的能源系统中,电力是重要的二次能源,以新能源发电为主导的电力系统将成为未来零碳能源系统重要的内核。为此,我国正大力推动新能源发电,累计装机居世界前列,从源头上为实现零碳能源系统奠定了坚实的基础。
然而,大规模新能源并网给电力系统的运行带来巨大的挑战,也因此产生了大量的、不可避免的新能源弃电。2019年,新疆弃风率高达17%、弃风电量42.4 亿km·h;甘肃弃风率10.1%、弃风电量13.3 亿km·h,新能源主导电力系统任重道远。
从电力系统运行与供需平衡分析,风电、光伏等绿色发电作为电能的主要来源,其出力能力取决于环境变化,难被人为控制;传统的燃煤机组调节性能强,但碳排量高、经济性低,在零碳能源系统中将大幅停用。由此可见,电力系统灵活调节资源匮乏,无法平衡新能源的间歇性、随机性波动,如果不从根本上加以解决,将从源头上阻碍零碳能源系统的实现。
另一方面,需求侧大量的分布式资源具备的巨大灵活性潜力未被挖掘和利用,如电动汽车、空调、热水器、工业流水线等,都可以灵活地调节运行方式,响应电力系统的运行需求。如果能够充分挖掘设备个体的灵活性,并进一步协同利用聚合群体的灵活性,组成虚拟电厂,输出外部所需的电力调节服务,可为新能源的消纳提供较大帮助,是未来零碳能源系统中灵活、经济、能大规模推广的电力调节资源。
为实现这一目标,团队提出虚拟电厂的全新建设理念与理论,即自趋优虚拟电厂。自趋优虚拟电厂是多元异构的分布式资源自下而上地自组织聚合并不断生长而形成的一种复杂网络,可结合外部需求和内部约束,充分挖掘、协调分布式资源的灵活性,响应电力调节需求,为能源系统的运行提供驱动力。自趋优虚拟电厂中,分布式资源个体可在快速变化的环境中自主地、自发地调节运行方式,实现设备个体趋优与系统整体趋优的相容与一致,确保整个虚拟电厂运行状态始终满足安全、优质、经济、低碳的多指标评价标准。自趋优虚拟电厂是实现海量分布式资源灵活性挖掘与协同的理想形式,是零碳能源系统必不可少的驱动力。
 
2 线上研讨,驱动实现零碳能源系统
2020年,项目团队克服新冠疫情困难,做了大量的前期研究,与日本合作方举行了多次线上研讨,保证了项目的顺利推进。
(1)研究支持分布式资源即插即用的自律分散系统原子节点构造方法,面向自下而上地自组织聚合并不断生长而形成的复杂网络,基于自律分散控制理论,构建具备在线扩展、维护、测试能力,容错性强的虚拟电厂信息物理系统,是海量分布式资源协同利用的底层架构基础。
(2)研究自趋优虚拟电厂驱动零碳能源系统的运营机制,从外部零碳能源系统的需求出发,研究零碳能源系统需要虚拟电厂提供什么样的调节服务,遵循以终为始的原则,提出以驱动零碳能源系统运行为目标的负荷准线理论,并基于,设计虚拟电厂调度、激励机制,是海量分布式资源协同利用的顶层市场机制保障。
(3)研究自趋优虚拟电厂驱动零碳能源系统的运行方法,是虚拟电厂挖掘并协同利用海量分布式资源灵活性的核心技术问题。项目提出事件驱动的自趋优运行算法,从根本上克服传统的自上而下对海量分布式资源进行优化控制的局限性,形成一种自下而上、个体驱动整体的全新控制策略,以极低的计算与通讯负担、高可扩展性与鲁棒性实现多元异构的分布式资源灵活性挖掘与协同。
(4)落地实施,建设自趋优虚拟电厂示范工程。采取产学研用结合方式,研发自趋优虚拟电厂商业运营平台,分别针对商业园区与工业园区,在上海与陕西分别开展商业型虚拟电厂与工业型虚拟电厂示范工程建设。为顺利推进示范工程建设,合作单位芈展众创空间管理(上海)有限公司已在上海市建成集光伏发电、电动车充电等商业综合体绿色园区。
项目团队紧紧围绕实现零碳能源系统这一目标,提出自趋优虚拟电厂驱动零碳能源系统的全新方法,建设示范工程,形成可推广可复制的蓝本,可帮助我国在能源标准制定、关键技术产品研制、创新商业模式探索等方面赢得国际领先地位;同时也能针对性地向其他国家输出先进的技术与产品,助力“一带一路”倡议。