基于多能互補(bǔ)的綜合能源控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用

華麗云，孫堅棟，王 振，李建偉，蘇 燁，陳 波

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

隨著新能源發(fā)電項目大量建設(shè)，能源供給側(cè)的隨機(jī)性增強(qiáng)，可控性降低。電力系統(tǒng)不再像傳統(tǒng)方式一樣通過調(diào)整發(fā)電機(jī)組的出力就可以維持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而需要通過構(gòu)建區(qū)域性的綜合能源系統(tǒng)，利用電池儲能、冷熱電三聯(lián)供、水顯熱儲能等技術(shù)削峰填谷，最大限度降低太陽能、風(fēng)能出力波動，促進(jìn)可再生能源的消納，平抑區(qū)域電網(wǎng)峰谷差，提高電網(wǎng)資產(chǎn)利用效率[1-2]。

綜合能源系統(tǒng)是指利用先進(jìn)的物理信息技術(shù)和創(chuàng)新的管理模式，整合一定范圍內(nèi)的化石燃料、風(fēng)能、光能、電能等多種能源，實(shí)現(xiàn)多種不同性質(zhì)的能源子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)規(guī)劃、優(yōu)化運(yùn)行、協(xié)同管理、交互響應(yīng)，以達(dá)到互補(bǔ)互濟(jì)的目的。綜合能源系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)內(nèi)多元化供能需求的同時，更有效地提高能源的綜合利用水平，促進(jìn)能源可持續(xù)發(fā)展[3]。

2001 年，美國能源部就提出了綜合能源系統(tǒng)發(fā)展計劃，重點(diǎn)促進(jìn)分布式能源和冷熱電三聯(lián)供技術(shù)的進(jìn)步和推廣應(yīng)用。從2011 年開始，德國每年投入3 億歐元，從能源全供應(yīng)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈角度實(shí)施IES 的優(yōu)化協(xié)調(diào)。丹麥大力支持新能源的發(fā)展，力爭在2050 年前實(shí)現(xiàn)100%新能源供能[4]。英國2015 年成立了能源系統(tǒng)彈射器，通過每年3千萬英鎊的注資來支持企業(yè)在綜合能源系統(tǒng)方面的研究和開發(fā)[5]。各國的計劃和資金投入足以看出綜合能源系統(tǒng)在未來的重要地位。

國內(nèi)研究學(xué)者對綜合能源系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了不少研究，但主要集中在理論、技術(shù)和規(guī)劃方面。文獻(xiàn)[6]對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的通用建模理論、綜合仿真理論與方法、規(guī)劃理論與方法、安全性理論與方法、運(yùn)行優(yōu)化與控制、效益評估與運(yùn)營機(jī)制等方面問題進(jìn)行了歸納總結(jié)。文獻(xiàn)[7]介紹了燃?xì)饫錈犭娙?lián)供的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢。文獻(xiàn)[8]對含有三聯(lián)供系統(tǒng)和儲能的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，得出儲能系統(tǒng)的加入可以有效地解耦三聯(lián)供系統(tǒng)的熱電運(yùn)行約束。文獻(xiàn)[9]將能量梯級利用考慮到綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中，更契合工程實(shí)際。文獻(xiàn)[10]總結(jié)了綜合能源系統(tǒng)7 項關(guān)鍵技術(shù)的原理及應(yīng)用。文獻(xiàn)[11-13]介紹了能源互聯(lián)網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)的研究與發(fā)展。文獻(xiàn)[14-15]則介紹了對綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行評估的指標(biāo)和方法。

上述文獻(xiàn)對綜合能源系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)行了很好的歸納和展望，但大多偏于理論研究，并沒有應(yīng)用到工程實(shí)際，在控制系統(tǒng)構(gòu)建方面更是鮮少介紹。本文通過某創(chuàng)新基地的綜合能源項目，對綜合能源系統(tǒng)的控制需求、各層級的控制范圍及功能進(jìn)行了分析，總結(jié)了在綜合能源控制系統(tǒng)構(gòu)建時應(yīng)注意的問題，希望能為其它同類型項目的控制系統(tǒng)構(gòu)建提供借鑒。

1 綜合能源系統(tǒng)組成

根據(jù)創(chuàng)新基地的電負(fù)荷和冷熱負(fù)荷需求現(xiàn)狀以及供能的多樣性，構(gòu)建了一套綜合能源系統(tǒng)。此系統(tǒng)以風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、太陽能發(fā)電技術(shù)、天然氣分布式供能技術(shù)、空氣及燃料電池等技術(shù)為主要的供能手段，建設(shè)、完善能源輸配網(wǎng)和儲能設(shè)施（包含電、熱、冷儲能），并配套建設(shè)智慧能源管理平臺，構(gòu)建一個完整的園區(qū)級能源互聯(lián)網(wǎng)。

綜合能源系統(tǒng)的物理構(gòu)成包括供配電系統(tǒng)、冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、光儲充系統(tǒng)、能耗監(jiān)測系統(tǒng)以及消防與信息安全系統(tǒng)等。創(chuàng)新基地綜合能源系統(tǒng)的物理架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基地綜合能源系統(tǒng)物理架構(gòu)

2 綜合能源控制系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計

由于創(chuàng)新基地各個系統(tǒng)之間控制特性差異大、控制耦合性強(qiáng)、控制時間尺度不一致，考慮到控制的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性，因此在構(gòu)建綜合能源控制系統(tǒng)時需要注意以下2 個方面：

（1）控制系統(tǒng)的廣域性。創(chuàng)新基地綜合能源系統(tǒng)是一個微縮卻完整的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)，考慮到微網(wǎng)區(qū)域范圍內(nèi)，一定地域上多個綜合能源系統(tǒng)的集中控制需要，其綜合能源控制系統(tǒng)應(yīng)具有廣域性的控制范圍、海量數(shù)據(jù)的處理能力和便于擴(kuò)展等特性。

（2）控制系統(tǒng)的實(shí)時性。創(chuàng)新基地范圍內(nèi)的綜合能源系統(tǒng)接受來自上層控制系統(tǒng)的全局性目標(biāo)控制指令，并在本園區(qū)內(nèi)根據(jù)指令來優(yōu)化控制各個供能設(shè)備，這個控制過程應(yīng)該是可靠、實(shí)時、可優(yōu)化、相對獨(dú)立受控的。因此，要求綜合能源控制系統(tǒng)具有安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、實(shí)時監(jiān)控等特征。

綜合能源控制系統(tǒng)通過引入在線交易平臺、大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，充分挖掘能源生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)、轉(zhuǎn)換、存儲等大量信息，借助能源需求預(yù)測、需求側(cè)響應(yīng)等信息挖掘技術(shù)指導(dǎo)能源生產(chǎn)和調(diào)度。基于創(chuàng)新基地多能互補(bǔ)控制需求的綜合能源系統(tǒng)，其控制構(gòu)架應(yīng)將能量管理優(yōu)化控制層、系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)控制層和就地設(shè)備控制層三層控制有機(jī)結(jié)合。在不同時間尺度上分別實(shí)現(xiàn)設(shè)備級控制（第一層控制）和系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)控制（第二層控制）以及能量管理優(yōu)化控制（第三層控制），完成系統(tǒng)多能互補(bǔ)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行、快速協(xié)調(diào)控制。創(chuàng)新基地采用面向?qū)ο蟮摹⒔M件化的分層、分布式設(shè)計思想，整個系統(tǒng)構(gòu)架示意如圖2 所示。

3 綜合能源控制系統(tǒng)各層級實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)備級控制

由圖2 可以看出，本綜合能源系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)有風(fēng)機(jī)、光伏、冷熱電三聯(lián)供、儲能系統(tǒng)。

（1）風(fēng)機(jī)：根據(jù)是否并網(wǎng)，可分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型。按照主軸相對于地平面的方向，風(fēng)機(jī)可分為垂直軸和水平軸2 種類型。創(chuàng)新基地采用并網(wǎng)型垂直軸風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)的控制主要通過風(fēng)能并網(wǎng)逆變器以MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）算法進(jìn)行。

（2）光伏：采用了多晶硅光伏、幕墻、光伏道路和光伏瓦4 種類型。根據(jù)額定功率的不同又設(shè)計了不同的系統(tǒng)構(gòu)架。多晶硅光伏采用華為SUN2000-36KTL 型號的逆變器，主要控制算法也是MPPT。除此之外，華為逆變器還支持有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。逆變器提供5 種有功調(diào)節(jié)方式，分別是：禁止有功功率限制、通信限制百分比、參數(shù)設(shè)置絕對值、參數(shù)設(shè)置百分比、通信限制固定值。同時可以通過“有功功率降額梯度”調(diào)節(jié)有功降額響應(yīng)時間的快慢。逆變器提供5種無功調(diào)節(jié)方式，分別是：禁止無功輸出、通信調(diào)節(jié)功率因數(shù)、參數(shù)設(shè)置Q/S（其中Q 為調(diào)節(jié)的無功目標(biāo)值，S 為逆變器的最大視在功率）。參數(shù)設(shè)置功率因數(shù)、通信調(diào)節(jié)Q/S。無論是調(diào)節(jié)有功還是無功，通信調(diào)節(jié)都需要將逆變器切換至遠(yuǎn)程控制模式。光伏道路、光伏瓦、光伏幕墻則選擇DC/DC 變換器來控制其輸出電壓。再經(jīng)過匯流箱，進(jìn)系統(tǒng)配置的能量路由器，展示柔性交直流配電技術(shù)。DC/DC 變換器，也就是直流斬波器，通過控制電子元件的通斷狀態(tài)來使負(fù)載受到間斷的直流電壓，通過占空比變化最終實(shí)現(xiàn)輸出電壓平均值的控制。

圖2 綜合能源控制系統(tǒng)構(gòu)架示意

（3）三聯(lián)供系統(tǒng)：采用美國Capstone C200 系列微燃機(jī)，匹配煙臺荏原的熱水單效吸收式制冷機(jī)RCH020 以及2 個25 m3的蓄能罐。天然氣進(jìn)入微燃機(jī)發(fā)電，發(fā)電后的煙氣進(jìn)入溫水換熱器換熱，換熱后的溫水作為溴化鋰機(jī)組制冷的動力，在夏季時對基地進(jìn)行供冷；冬季，微燃機(jī)排煙余熱通過溫水交換器產(chǎn)生的熱水對基地進(jìn)行供暖。

（4）儲能系統(tǒng)：儲能系統(tǒng)支持P/Q 控制模式和V/F 控制模式。通過PCS（能量控制系統(tǒng)）進(jìn)行有功、無功、頻率、電壓的調(diào)節(jié)。接收上層指令，實(shí)現(xiàn)離并網(wǎng)切換。除此之外，儲能系統(tǒng)還有BMS（電池組管理系統(tǒng)），對電池單體進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，超溫超壓，低溫低壓都將報警提示，超過一定范圍PCS 將響應(yīng)BMS 進(jìn)行故障停機(jī)。

3.2 系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)控制

各個設(shè)備級控制層原本是獨(dú)立的，只有經(jīng)過上層的控制層協(xié)調(diào)控制，各個設(shè)備控制層才能協(xié)調(diào)規(guī)劃、優(yōu)化運(yùn)行、協(xié)同管理、交互響應(yīng)和互補(bǔ)互濟(jì)。這一層級的控制同樣需要實(shí)時采集、快速響應(yīng)。創(chuàng)新基地的系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)控制功能由DCS（分散控制系統(tǒng)）和專用的綜合能源優(yōu)化控制系統(tǒng)共同完成。

DCS 主要功能在于保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，包括順序控制、系統(tǒng)級保護(hù)控制、穩(wěn)態(tài)控制與緊急控制。如三聯(lián)供系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)僅供末端、僅蓄能、僅釋能、邊供末端邊蓄能的4 種模式切換，設(shè)備協(xié)調(diào)控制，電壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)，離、并網(wǎng)模式切換，黑啟動，過程平衡控制等，同時與PCS實(shí)現(xiàn)雙向通信，接受下發(fā)指令調(diào)節(jié)，是設(shè)備級的上層控制層。

創(chuàng)新基地采用的國產(chǎn)DCS-新華NetPAC Ⅱ系列支持多種通信協(xié)議，增強(qiáng)了綜合能源控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。DCS 通過數(shù)據(jù)采集進(jìn)行實(shí)時的策略計算與控制，滿足100～1 000 ms 等級的實(shí)時控制需求，支持組態(tài)式可視化編程，滿足靈活控制需求。配置的歷史站可以完成歷史數(shù)據(jù)的收集和服務(wù)。歷史數(shù)據(jù)站軟件包包括歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)追憶、報警日志（含操作記錄）、報表等，此功能便于數(shù)據(jù)的調(diào)取和分析研究。

系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)控制層通過多種通信方式和設(shè)備級控制層進(jìn)行交互，由DCS 完成控制指令的發(fā)送。基地主要采用了Modbus TCP，Modbus 485，104 規(guī)約、TCP/IP、硬件I/O 等方式進(jìn)行交互。具體的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

新華DCS 通過建立虛擬控制器，將動態(tài)鏈接文件、配置文件一同拷貝至Vxcu 文件夾中，運(yùn)行虛擬控制器，實(shí)現(xiàn)DCS 和從站系統(tǒng)的交互。為了便于系統(tǒng)維護(hù)，在各個子系統(tǒng)通信調(diào)試時不相互影響，將基地各個子系統(tǒng)的控制邏輯建立在不同的虛擬控制器中。基地各分系統(tǒng)的Vxcu 分配如圖4 所示。

系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)控制通過可視化編程方式實(shí)現(xiàn)，如圖5 所示為儲能系統(tǒng)PCS 運(yùn)行模式切換邏輯。目前，基地的綜合能源系統(tǒng)已投入使用，如圖6 所示為能量路由器的在線監(jiān)視畫面。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

另外，由于DCS 在算法優(yōu)化功能方面較為薄弱，因此在控制系統(tǒng)構(gòu)建中增加了綜合能源優(yōu)化控制系統(tǒng)，以模塊方式集成至DCS 中，不直接和設(shè)備級控制層進(jìn)行交互控制，而是通過和DCS進(jìn)行數(shù)據(jù)交互完成對設(shè)備的優(yōu)化控制，實(shí)施DCS不易實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)控制算法模塊。

圖4 控制器分配

圖5 邏輯組態(tài)

圖6 能量路由器實(shí)時監(jiān)控畫面

3.3 能量管理優(yōu)化控制

綜合能源控制系統(tǒng)的能量管理優(yōu)化控制要求支持與系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)控制層的秒級交互控制與分鐘級的能量優(yōu)化控制。分鐘級的能量優(yōu)化調(diào)度主要完成2 個任務(wù)：

（1）制定綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行計劃。并網(wǎng)情況下，根據(jù)光伏風(fēng)機(jī)出力預(yù)測、用戶側(cè)冷熱電負(fù)荷需求、儲能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等信息，以提高系統(tǒng)綜合能效為優(yōu)化目標(biāo)，滾動優(yōu)化制定運(yùn)行策略；離網(wǎng)情況下，以運(yùn)行穩(wěn)定性為首要目標(biāo)，考慮負(fù)荷控制、光伏風(fēng)機(jī)出力控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)離網(wǎng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）制定備用功率計劃，確保系統(tǒng)供能容量充足，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

4 控制系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)注意的問題

通過創(chuàng)新基地控制系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用，建議在綜合能源系統(tǒng)設(shè)計初期就以用戶為中心，根據(jù)系統(tǒng)的物理架構(gòu)，提出各個控制層的軟硬件要求，以提高整個控制系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。

4.1 設(shè)備級控制層

綜合能源系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)一般成套出廠，自帶PLC（可編程邏輯控制器）控制功能，能夠獨(dú)立運(yùn)行。但在綜合能源控制系統(tǒng)中，作為設(shè)備級最直接的控制層，在控制功能方面，要求其能完成本文在3.1 中提到的設(shè)備級控制的基本功能。硬件方面，應(yīng)具備冗余的控制模塊、通信模塊，以保證自身的控制可靠性以及與系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)控制層通信可靠性。

4.2 系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)控制層

由于設(shè)備級控制層通信接口及協(xié)議無法完全統(tǒng)一，因此所選擇的系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)控制層需要支持多種通信協(xié)議。基地的設(shè)備級控制層與系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)控制層之間的數(shù)據(jù)傳輸主要采用2 種方式，分別為MODBUS+RS485（TCP/IP）和IEC 104+TCP/IP 方式，通信時，系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)控制層作為主站，設(shè)備級控制層作為子站。系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)控制層與能量管理優(yōu)化控制層之間以IEC 104+TCP/IP 方式通信，上層的能量管理優(yōu)化控制層作為主站，下層的系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)控制層作為子站。其中主站是控制站，負(fù)責(zé)下發(fā)指令，召喚子站的監(jiān)控信息；子站是被控站，負(fù)責(zé)執(zhí)行主站下發(fā)的指令，上傳本站監(jiān)控信息。在設(shè)計初期，就應(yīng)明確各個控制層之間主站和子站關(guān)系。

除了滿足一般信號的數(shù)據(jù)采集可以通過通信方式實(shí)現(xiàn)，一些重要的信號如：進(jìn)線開關(guān)狀態(tài)、分合指令，儲能系統(tǒng)SOC 值、運(yùn)行切換，燃機(jī)的啟停、功率等涉及離并網(wǎng)切換的，應(yīng)采用硬接線的方式來實(shí)現(xiàn)快速控制，確保系統(tǒng)切換的安全可靠性。

4.3 能量管理優(yōu)化控制層

能量管理優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)以用戶為中心，借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與傳統(tǒng)能源物理互聯(lián)和智能終端相集成，實(shí)現(xiàn)用能計量、用能預(yù)測、能源出力預(yù)測等綜合分析，為系統(tǒng)級快速協(xié)調(diào)層提供自適應(yīng)控制策略。

5 結(jié)論與展望

創(chuàng)新基地的綜合能源系統(tǒng)使用光伏、風(fēng)機(jī)、微燃機(jī)等原動機(jī)發(fā)電，提升了清潔能源使用比重。使用鋰電池儲能、水顯熱儲能等技術(shù)削峰填谷，最大限度降低了太陽能、風(fēng)能出力波動，促進(jìn)可再生能源的消納，平抑區(qū)域電網(wǎng)峰谷差，提高電網(wǎng)資產(chǎn)利用效率。從單一的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)型至多能源互補(bǔ)供能，降低了由于單一能源短缺導(dǎo)致用戶用能中斷的風(fēng)險，提升了面向用戶的供能可靠性。通過基地的綜合能源系統(tǒng)應(yīng)用，證明所構(gòu)建的基于多能互補(bǔ)的綜合能源控制系統(tǒng)既能滿足控制系統(tǒng)的廣域性，又能滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時性。

但在控制系統(tǒng)構(gòu)建過程中，發(fā)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)涉及的能源種類較多，因此跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的現(xiàn)象比較普遍，需要更多的多學(xué)科交叉和產(chǎn)學(xué)研合作。各個設(shè)備廠家的設(shè)備級控制層的控制功能完善程度不一，由于技術(shù)保密等原因，進(jìn)口設(shè)備的控制功能難以充分利用。各個設(shè)備子系統(tǒng)的通信接口定義也略有差別，即使是使用相同的規(guī)約和通信協(xié)議。

綜合能源控制系統(tǒng)采用“局域網(wǎng)”形式，而非把所有信息上傳到云終端進(jìn)行海量數(shù)據(jù)優(yōu)化運(yùn)算的原因之一是：信息物理的安全性[13]。隨著信息系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的深度融合，能源互聯(lián)網(wǎng)的信息安全問題也日益凸顯。需要加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)攻擊和信息系統(tǒng)故障對于系統(tǒng)動態(tài)安全影響的研究，能源才能“廣域網(wǎng)”式地互聯(lián)，綜合能源系統(tǒng)才能更加安全可靠地運(yùn)行。