中國儲能網(wǎng)訊：3月23日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦并聯(lián)合500余家機構(gòu)共同支持的第十五屆儲能大會暨展覽會（簡稱“CIES2025”）在杭州國際博覽中心召開。
CIES大會以“綠色、數(shù)智、融合、創(chuàng)新”為主題，針對儲能產(chǎn)業(yè)面臨的機遇與挑戰(zhàn)等重點、熱點、難點問題展開充分探討，分享可持續(xù)發(fā)展政策機制、資本市場、國際市場、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)標準、示范項目應(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日上午進行的數(shù)智化工商業(yè)儲能解決方案與商業(yè)案例專場中，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)》的主題報告演講。
以下內(nèi)容根據(jù)大會發(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，非常感謝會務(wù)組邀請我來做這個報告。我們從高校的角度，關(guān)于做什么樣儲能的系統(tǒng)，我就立了這樣一個題目，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)在儲能有一個特別火的詞叫構(gòu)網(wǎng)型儲能，我這一次想給大家講一講我們在高校做構(gòu)網(wǎng)型儲能之前跟網(wǎng)型儲能怎么用的，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，我們進入這一次主題演講。
我首先做一個簡單的個人介紹，本人來自合肥工業(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一步研究。我有兩個研究的方向，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，我這次匯報也是講這個的。
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，我們俗稱的自動化，電氣和自動化做了一個結(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，我們在控制，然后引入到新能源發(fā)電領(lǐng)域，怎么指導(dǎo)儲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”，我也是中國電源學(xué)會青工委的常務(wù)委員，也獲過我們很多學(xué)會的獎。比如我們這個行業(yè)里面有其他學(xué)會，中國電機工程學(xué)會、中國電工技術(shù)學(xué)會、中國電氣傳動學(xué)會的優(yōu)秀論文獎都獲過，也是拿到過中國電源學(xué)會的青年托舉，這是大概的介紹。
我們進入到這一次主題，首先是研究背景，我剛剛簡單跟大家講了一下，這有兩大類的控制方法。實際上這一次也做一個科普，大家可能都知道構(gòu)網(wǎng)型儲能很火，與它對應(yīng)的一個詞叫跟網(wǎng)型控制或者叫跟網(wǎng)型儲能。本質(zhì)是對于我們儲能一次能源怎么樣轉(zhuǎn)化到新能源的并網(wǎng)中，或者給用電負荷，中間裝置有兩大類控制，一個叫跟網(wǎng)，一個叫構(gòu)網(wǎng)，這兩個方法特別有意思，最核心的是第四行的端口特性，這個告訴我們，跟網(wǎng)和構(gòu)網(wǎng)中，一個呈現(xiàn)電流源，一個是呈現(xiàn)電壓源，我們右邊這個圖給大家看了一下，我們電流源在電動里面叫諾頓電路，在構(gòu)網(wǎng)型在電路里面是戴維南電路。這個就有意思了，一個電流源叫跟網(wǎng)的，就是說我電流不能獨立存在，必須跟隨著我們第一類傳統(tǒng)的同步發(fā)電機，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，電壓源可以獨立存在的，現(xiàn)在叫組網(wǎng)或者構(gòu)網(wǎng)是這么來的。這兩類看的特點，我們做了這個表格，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)的同步機怎么控的，機電尺度怎么做控制的。實際上現(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)在目前這個問題還沒有完全解決，大規(guī)模的去加新能源的電力電子裝備，比如說光伏和逆變器，還有我們配儲能，都導(dǎo)致了我們現(xiàn)在新能源有大規(guī)模接入。我們圍繞著這個問題，這兩類我們下面去詳細地講。
我們?nèi)魏蔚难芯慷家フ乙粋€邊界，我們現(xiàn)在講的構(gòu)網(wǎng)型儲能解決什么樣的問題，是振蕩。我們講的振蕩這個詞，一早是出現(xiàn)在跟網(wǎng)型中的，包括我們最早講的一些國內(nèi)的事故，比如說次同步振蕩或者超同步振蕩，還有一些在國外發(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圖，本質(zhì)是由于跟網(wǎng)的五個優(yōu)勢，大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)用會發(fā)現(xiàn)振起來了，我們怎么辦呢？要去做一些改進。我們這一次想著給大家講一下，我們學(xué)術(shù)界把這個跟網(wǎng)型控制，用在我們變換器里面，或者用在我們儲能這個中間轉(zhuǎn)化裝置中，最新的一些是什么樣技術(shù)，基于無源性理論的并網(wǎng)變流器跟網(wǎng)型控制設(shè)計。
我們首先找一個場景，我們舉的例子是新能源發(fā)電站，光伏和風(fēng)機，在這個中間裝置是通過一個DC-AC轉(zhuǎn)化的，很多時候我們廠家需要配儲的，所以儲能在里面起到很大的關(guān)鍵作用，無論怎么說光伏還是風(fēng)電還是我們儲能，中間都是有這個變換器，他們都是統(tǒng)一化的研究，我們關(guān)注于網(wǎng)側(cè)的接入點的特性。我們講這樣系統(tǒng)，有一個特別重要的事情，我們在擴展的時候，或者說在檢修的時候有一個即插即用，這個對我們想要研究變換器本身來講，這有一個特點，就是隨機性，復(fù)雜性。這給我們逆變器帶來了一個挑戰(zhàn)，這個很泛，我們可以通過控制理論的詞叫魯棒性，外面在變，我自己要變得堅強一點，我們的想法讓我們的變換器，或者說中間的變流器能夠在這樣復(fù)雜的接入場景下，能夠保證很好的運行穩(wěn)定和高效，這是我們的目標。
我們講這個場景有一個什么特殊化的問題呢？我們都知道剛才振蕩的問題是別人實測的，我們就做了一個仿真，在即插即用的時候，比如說三個變換器一臺一臺往上接，接的時候發(fā)現(xiàn)了什么問題呢？它有一個振蕩頻率在漂移，我們傳統(tǒng)方案，比如說非線性會做線性化，我們所有的自然界都是非線性的，但是我們在某一個工作點上做線性化挺好的。
我們可以找這個點，比如說這個振蕩從317Hz到283Hz，能找到一個線性化的點，但是總是差了一點。比如振蕩點在371Hz，而分析是315Hz，怎么辦呢？我們想這個問題來自什么，來自設(shè)備，比如說儲能在裝的時候要配的變換器，加進去讓原先我們站在變換器角度上的工作點在變，我們實際上不知道怎么變的，所以說很復(fù)雜，這是一個很復(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，它的附近我們學(xué)過高數(shù)，叫領(lǐng)域范圍，附近去調(diào)，這種方法叫增益調(diào)度，這個方法很多文獻都在做，這個方法本身是非線性的，我們叫離散調(diào)節(jié)，一個一個像小階梯。但是問題很嚴重，我們剛才場景是隨機的，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可以解決這個問題，但是AI用的控制上來講是變慢的，我們想能不能想一個辦法，不是用這種更先進的AI方法，我們用控制的方法去解決這個問題。
我們就把這個事改造，左邊是我們的跟網(wǎng)，右邊是我們的構(gòu)網(wǎng)，現(xiàn)在儲能的變換器中間用的方法，都是線性設(shè)計的。線性設(shè)計中間有一個線性PI控制器，我們想能不能找一個方法替換掉，替換成一開始設(shè)計，怎么設(shè)計都是穩(wěn)定的，這肯定會想到非線性控制方法，怎么樣想這個非線性控制方法呢？我們就找了一個理論工具叫無源性理論，這個理論非常早，大概20世紀八90年代就有了，這個理論涵蓋了現(xiàn)在講的電阻、電容的定義。
這個本質(zhì)是什么呢？Lyapunov理論告訴我們，任何一個系統(tǒng)只要是耗散的，或者說找到一個能量函數(shù)，對于時間來講，它是正的能量函數(shù)，對于時間的變化來講是小于0的，就會衰減。
這個理論跟Lyapunov的證明是有關(guān)聯(lián)的，我們把這個方法用到這里來特別有意思，這指出了什么呢？單機擴展到多機協(xié)同仍舊穩(wěn)定，我們找到這個方法能夠保證任何一個儲能變換器，不管是跟網(wǎng)還是構(gòu)網(wǎng)，這種理論去指導(dǎo)設(shè)計的時候，設(shè)計好了之后，單個是穩(wěn)定的，因為單個穩(wěn)定之后能夠找到一個能量函數(shù)小于的，這個就是穩(wěn)定的。
擴展的時候，因為能量函數(shù)是標量的，這是一個標量函數(shù)，怎么樣加減之后并求導(dǎo)，我們都知道這是一個線性的，求導(dǎo)的時候?qū)τ诩硬挥绊懽詈笮∮?的特性，這個自然而然滿足了一個優(yōu)勢，我們講的擴展儲能的系統(tǒng)，這個變換器怎么接都是穩(wěn)定的，這個思想現(xiàn)在說清楚了。
左邊這個圖形漏斗，能量最終會落到最后，最底下的點。我們最簡單的思想給大家講過之后，我們后面會有詳細的方法。這個就是我們的方法論了，比如說我以最經(jīng)典的，現(xiàn)在用得最多的跟網(wǎng)型儲能變換器怎么控的，我們把這個思想無源性用起來，這有三大塊，我們的目標是動和穩(wěn)要都好，而且要抗擾，抗擾其實就是魯棒，所以既快，又穩(wěn)，又魯棒，這就是目標。圍繞著這三個目標有三個序號1、2、3。
1是底層，叫作無源控制器，就是用我們剛才說無源器理論設(shè)計的，怎么并聯(lián)擴展都是穩(wěn)定的，然后頂層做一些上層建筑，頂層有兩件事，第一個事是抗擾，就是魯棒。
2是觀測器，這個很有意思，無源性理論在用的過程中，我們講通常很多時候?qū)嶋H傳感器都拿不到無法觀測的擾動信息，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)合實際應(yīng)用，既然你都用非線性理論，無源性用上了，何不把觀測器控制方法，非線性理論也用起來，所以把1的基礎(chǔ)上，在上層加了一個觀測器，我等一下講一下觀測器是怎么設(shè)計的。
3是穩(wěn)定之外的一個動態(tài)性能。動態(tài)在我們系統(tǒng)里面有一個有意思的詞，實際上就是協(xié)同，要讓這個系統(tǒng)保證在單個是很好的情況下，多個也是很好。
這三個我們是怎么做的呢？一個是我們把無源控制器設(shè)得很好，保證無源性和穩(wěn)定性。第二個是抗擾。第三個是調(diào)整動態(tài)，調(diào)整動態(tài)就是調(diào)整阻尼。
最后要求是什么呢？把觀測器和我的無源控制器全部像傳統(tǒng)PI控制器發(fā)成一個控制框圖，發(fā)現(xiàn)沒有那么復(fù)雜。實際上我在從控制到電氣跨過去，發(fā)現(xiàn)右邊這個圖非常像傳統(tǒng)的PI控制圖，dq軸都對稱，有一個上對稱和下對稱的圖，這就是一個精簡的Lyapunov的推導(dǎo)過程，我們可以看到能用，而且可解釋的一個圖。
我們后面講無源控制器和觀測器都做好了之后，我們要做一個動，單個做得好，我們多個也要好，多個怎么好，要系統(tǒng)里面阻尼指標來評估。這個費了一點力氣，我們先做仿真，大的系統(tǒng)或者說儲能變換器接到并網(wǎng)點上一個什么特點呢？我們剛才講的諾頓電路和戴維南電路都是一個源加一個阻抗，這個阻抗的變化會不會影響我的動態(tài)呢？我就去測這個系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)阻抗從小到大的時候，我們可以最后看到收斂，這是無源性決定的，這肯定是穩(wěn)定的，但是動態(tài)會有一些變化。
我們目標找到多個系統(tǒng)怎么樣做協(xié)同的時候，這個阻抗和我們動態(tài)的振蕩幅值或者說調(diào)整的時間是什么關(guān)系，我們就找，找到一個什么關(guān)系呢？非線性的下垂曲線，這個非線性下垂曲線找到的時候令人非常振奮，我們都知道，我們電力系統(tǒng)里面控制同步機叫下垂控制，或者電力電子里面有一個叫下垂控制，這都是基于有功和頻率的下垂，無功和電壓的下垂。我們找到這個時候就發(fā)現(xiàn)，任何單機滿足這個下垂曲線肯定是無通訊線的，所以就自然滿足這個目標了。我們把這個事理論完備了，我們做實驗發(fā)現(xiàn)，振蕩到穩(wěn)定，其動態(tài)是有一個調(diào)節(jié)過程，通過調(diào)整動態(tài)的時候，自動去調(diào)整，就會通過下垂曲線慢慢把振蕩抑制下來。
我們到構(gòu)網(wǎng)型方法跟這個非常類似，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題，我們總結(jié)了四點，這也是我們課題組做了很多工作。比如說第一和第二點比較統(tǒng)一，功率響應(yīng)慢和我們的MPPT慢，這都是動態(tài)的問題，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題。
三和四的問題是電壓源的本質(zhì)問題，電壓源輸出阻抗很小，就跟我們外端電網(wǎng)做匹配會有問題，在弱網(wǎng)下，我們都講構(gòu)網(wǎng)型儲能，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新能源有間歇性和波動性，這有時弱，有時會變強，在某個時刻，所以會發(fā)生振蕩，我們右邊這個圖一樣，會有一些振蕩的問題。
這個電壓源輸出阻抗小，幾個電壓源并在一塊，它的輸出阻抗變得更小了，所以串?dāng)_嚴重，解決這個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，虛擬同步機和虛擬振蕩器，這些方法都有一個問題：單個穩(wěn)定的，但是多個不一定穩(wěn)定，這是因為控制本身導(dǎo)致的。我們想能不能改造一下，改成無源性。
觀測器加我們底層的無源控制器，也是一樣的，這是這樣結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)把我們儲能的變換器變成構(gòu)網(wǎng)型無源化設(shè)計的，這就穩(wěn)定了。我們還做了一個什么事呢？它跟跟網(wǎng)型控制，跟隨電網(wǎng)有一個鎖相，這里所提的構(gòu)網(wǎng)控制是用功率環(huán)做同步的，我們都知道這個問題，我們剛才講的下垂方法，也有這個約束，怎么樣變得無源化，這里我們用了微分的無源方法，這微分之后系統(tǒng)看作一個新的系統(tǒng)，做了一個微分的輸入，讓它滿足了嚴格的微分無源，實際上還是無源性的，只是做了一次微分，我們就能把整個構(gòu)網(wǎng)型控制，整體變得滿足我們的穩(wěn)定要求了。
我們做驗證是穩(wěn)定的，電網(wǎng)從強到弱都是穩(wěn)定的。我們跟傳統(tǒng)的方法對比，發(fā)現(xiàn)其他傳統(tǒng)方法可能也會振蕩，我們這個方法能夠保證單個到多個都是穩(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)濟的。大家現(xiàn)在講的工商業(yè)儲能還是以跟網(wǎng)型為主，但是探究構(gòu)網(wǎng)型儲能，提升弱網(wǎng)運行穩(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。這種無源性分布式的方法，是一開始就把這個系統(tǒng)設(shè)計的是無源的，怎么樣多機擴展都是穩(wěn)定的，這也是一個非常好的思路，特別適合做儲能變換器設(shè)計，并且我們儲能本身就是保守的或者是有裕量的，這種無源性的方法去設(shè)計是符合和貼切于現(xiàn)在所要的需求。
謝謝大家！
