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清华大学梅生伟等:多能互补网络建模及动态演化机理初探

该文受国家自然科学基金智能电网联合基金项目、国家自然科学基金创新研究群体科学基金项目资助。原文发表在《全球能源互联网》2018年第1卷第1期,欢迎品读。

本文引文信息

梅生伟,李 瑞,黄少伟,魏 韡,张雪敏,卢强 .

多能互补网络建模及动态演化机理初探[J].全球能源互联网,2018,1(01):10-22.


Mei Shengwei, Li Rui, Huang Shaowei, Wei Wei, Zhang Xuemin, Lu Qiang. Preliminary Investigation on the Modeling and Evolutionary Analytics of Multi-carrier Energy Systems[J].Journal of Global Energy Interconnection, 2018, 1(01):10-22.


作者:梅生伟1,2,李 瑞1,黄少伟1,2,魏 韡1,张雪敏1,卢强1


单位:1. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系);2. 青海大学启迪新能源学院



1. 研究背景


多能互补网络是未来能源系统发展的必然趋势。然而能源种类的多样性、网络动态的复杂性以及运行中的不确定因素,导致多能互补网络运行分析及演化发展面临巨大挑战。因此,急需研究多能互补网络一体化建模方法,分析多能互补网络跨时间尺度动力学特性及多能流交互机理;研究多能互补网络演化过程模拟方法,分析其演化机理,预测多能互补网络未来形态


2. 研究现状


目前,针对多能互补网络已有大量研究,但仍存在一定局限性:1)在建模方面,大多局限于各系统稳态耦合模型简单,暂态建模与多能流综合优化运行研究不足。2)在演化方面,主要依赖单目标优化模型,难以考虑多主体利益的冲突;同时,最佳策略固定,难以揭示动态发展机制。3)在仿真方面,缺失对物理-经济(市场)耦合系统的仿真,难以实现由于新能源波动性、市场行为复杂性等因素导致海量仿真场景的快速计算。


3. 主要创新点


本文分析多能互补网络运行与演化发展的关键技术,探讨多能互补网络中广义最优能流、运行调度和综合能源市场(稳态问题)、动态仿真与协调控制(暂态问题)、发展规划和形态设计(演化问题),为新一代综合能源系统分析设计提供决策依据。


3.1 多能互补网络建模分析

将多能互补耦合网络抽象为广义电路,建立广义能流建模理论框架。然后,研究能量转换设备耦合特性的准确建模方法,进而建立多能互补网络的稳态模型;针对多决策主体和不确定性,在工程博弈论框架下构建多能互补网络的市场模型。最后,集成稳态和暂态模型,根据拓扑连接及信号传递关系建立接口方程,建立多种能源网络暂稳态一体化模型。

图1 多能互补网络建模框架


3.2多能互补网络动态演化机理

首先,采用“关联规则学习”等分析多能互补网络演化的驱动因素;其次,基于“复制者动态”构建多能互补网络演化的动力学模型;最后,利用“演化稳定均衡”分析多能互补网络演化的最佳终极形态。

图2  多能互补网络演化机理分析框架


3.3多能互补网络仿真模拟技术

首先,基于多Agent构建多能互补系统仿真模拟平台;其次,采用实际系统进行模型校正和平台验证;最后基于其解决多能互补典型工程问题,包括多能互补网络规划设计、市场运营机制、连锁故障模拟及安全防御等。

图3  多能互补网络仿真模拟平台框架


4. 结论


本文分析了多能互补网络运行及动态演化的关键技术,从多能互补网络建模、动态演化机理及仿真技术三个方面给出了多能互补网络建模及动态演化机理的研究框架,可为多能互补网络的相关研究提供参考。


研究团队

 清华大学电机系现代电力能源系统安全控制与高效运行研究团队,以卢强院士、梅生伟教授为学术带头人,2013年获国家基金委创新研究群体资助。目前该团队有教授3人、副教授4人、助理教授1人、助理研究员2人、博士后4人、研究生40余人。主要研究领域包括电力系统安全分析与灾变防治、高比例新能源接入系统的灵活高效运行、控制和能源互联网中能量高效转换和安全利用关键技术三大方向。该团队在电力系统非线性控制、连锁故障机理分析和灾变阻断、智能调度与先进能量管理系统、新能源电力系统鲁棒调度与控制、大规模物理储能、综合能源系统建模与仿真、微电网运行与控制等方面取得多项重要成果,相关研究成果广泛应用于我国电力行业。曾获国家自然科学二等奖2项、教育部自然科学一等奖2项、军队科技进步一等奖1项及多项省级科技进步奖。近5年来,团队发表SCI论文近百篇,EI论文200余篇,出版专著3部。


作者简介


梅生伟


博士生导师,杰青、长江学者、IEEE Fellow、IET Fellow,基金委创新群体学术带头人。青海大学启迪新能源学院院长。


主要从事电力系统鲁棒控制、大电网灾变防治和可再生能源综合利用等研究。Email: meishengwei@mail.tsinghua.edu.cn。

李 瑞


博士研究生


主要研究方向为多能互补网络优化控制、压缩空气储能系统及强化学习在线控制等。Email:eeairicky@gmail.com。

黄少伟


博士,助理研究员


主要研究方向为电力系统并行和分布式技术、复杂网络理论与大电网安全防御及微电网运行与控制。Email:huangsw@tsinghua.edu.cn。

魏 韡


博士,助理教授


主要研究方向为运筹学、电气化交通网络、综合能源系统优化调度、能源经济等。Email:weiwei-04@mails.tsinghua.edu.cn。

张雪敏


博士,副教授


主要研究方向为力系统分析与控制,输入-状态稳定理论以及电网复杂性理论等。

Email:zhangxuemin@tsinghua.edu.cn。

卢 强


清华大学教授、博士生导师,中科院院士,瑞典皇家工程院院士,IEEE Fellow、IET Fellow,国家973计划首席科学家。


主要研究方向为电力系统闭环控制、智能微电网、新型储能技术, 是国内外公认的电力系统非线性最优鲁棒控制学科体系的开拓者和奠基人。Email: luqiang@tsinghua.edu.cn。



编辑:赵杨

审核:白恺


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