基于多能互补的综合能源控制系统研究及应用

华丽云，孙坚栋，王 振，李建伟，苏 烨，陈 波

（1.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310012；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

随着新能源发电项目大量建设，能源供给侧的随机性增强，可控性降低。电力系统不再像传统方式一样通过调整发电机组的出力就可以维持电网的安全稳定运行，而需要通过构建区域性的综合能源系统，利用电池储能、冷热电三联供、水显热储能等技术削峰填谷，最大限度降低太阳能、风能出力波动，促进可再生能源的消纳，平抑区域电网峰谷差，提高电网资产利用效率[1-2]。

综合能源系统是指利用先进的物理信息技术和创新的管理模式，整合一定范围内的化石燃料、风能、光能、电能等多种能源，实现多种不同性质的能源子系统之间的协调规划、优化运行、协同管理、交互响应，以达到互补互济的目的。综合能源系统在满足系统内多元化供能需求的同时，更有效地提高能源的综合利用水平，促进能源可持续发展[3]。

2001 年，美国能源部就提出了综合能源系统发展计划，重点促进分布式能源和冷热电三联供技术的进步和推广应用。从2011 年开始，德国每年投入3 亿欧元，从能源全供应链、产业链角度实施IES 的优化协调。丹麦大力支持新能源的发展，力争在2050 年前实现100%新能源供能[4]。英国2015 年成立了能源系统弹射器，通过每年3千万英镑的注资来支持企业在综合能源系统方面的研究和开发[5]。各国的计划和资金投入足以看出综合能源系统在未来的重要地位。

国内研究学者对综合能源系统已经进行了不少研究，但主要集中在理论、技术和规划方面。文献[6]对区域综合能源系统的通用建模理论、综合仿真理论与方法、规划理论与方法、安全性理论与方法、运行优化与控制、效益评估与运营机制等方面问题进行了归纳总结。文献[7]介绍了燃气冷热电三联供的发展现状以及未来的发展趋势。文献[8]对含有三联供系统和储能的区域综合能源系统进行了仿真，得出储能系统的加入可以有效地解耦三联供系统的热电运行约束。文献[9]将能量梯级利用考虑到综合能源系统优化调度中，更契合工程实际。文献[10]总结了综合能源系统7 项关键技术的原理及应用。文献[11-13]介绍了能源互联网和综合能源系统的研究与发展。文献[14-15]则介绍了对综合能源系统进行评估的指标和方法。

上述文献对综合能源系统发展进行了很好的归纳和展望，但大多偏于理论研究，并没有应用到工程实际，在控制系统构建方面更是鲜少介绍。本文通过某创新基地的综合能源项目，对综合能源系统的控制需求、各层级的控制范围及功能进行了分析，总结了在综合能源控制系统构建时应注意的问题，希望能为其它同类型项目的控制系统构建提供借鉴。

1 综合能源系统组成

根据创新基地的电负荷和冷热负荷需求现状以及供能的多样性，构建了一套综合能源系统。此系统以风力发电技术、太阳能发电技术、天然气分布式供能技术、空气及燃料电池等技术为主要的供能手段，建设、完善能源输配网和储能设施（包含电、热、冷储能），并配套建设智慧能源管理平台，构建一个完整的园区级能源互联网。

综合能源系统的物理构成包括供配电系统、冷热电三联供系统、光伏系统、风机系统、储能系统、光储充系统、能耗监测系统以及消防与信息安全系统等。创新基地综合能源系统的物理架构如图1 所示。

图1 基地综合能源系统物理架构

2 综合能源控制系统总体构架设计

由于创新基地各个系统之间控制特性差异大、控制耦合性强、控制时间尺度不一致，考虑到控制的可靠性、经济性和可扩展性，因此在构建综合能源控制系统时需要注意以下2 个方面：

（1）控制系统的广域性。创新基地综合能源系统是一个微缩却完整的园区综合能源系统，考虑到微网区域范围内，一定地域上多个综合能源系统的集中控制需要，其综合能源控制系统应具有广域性的控制范围、海量数据的处理能力和便于扩展等特性。

（2）控制系统的实时性。创新基地范围内的综合能源系统接受来自上层控制系统的全局性目标控制指令，并在本园区内根据指令来优化控制各个供能设备，这个控制过程应该是可靠、实时、可优化、相对独立受控的。因此，要求综合能源控制系统具有安全可靠、技术先进、实时监控等特征。

综合能源控制系统通过引入在线交易平台、大数据处理等技术，充分挖掘能源生产、传输、消费、转换、存储等大量信息，借助能源需求预测、需求侧响应等信息挖掘技术指导能源生产和调度。基于创新基地多能互补控制需求的综合能源系统，其控制构架应将能量管理优化控制层、系统级快速协调控制层和就地设备控制层三层控制有机结合。在不同时间尺度上分别实现设备级控制（第一层控制）和系统级快速协调控制（第二层控制）以及能量管理优化控制（第三层控制），完成系统多能互补经济优化调度运行、快速协调控制。创新基地采用面向对象的、组件化的分层、分布式设计思想，整个系统构架示意如图2 所示。

3 综合能源控制系统各层级实现

3.1 设备级控制

由图2 可以看出，本综合能源系统的主要子系统有风机、光伏、冷热电三联供、储能系统。

（1）风机：根据是否并网，可分为并网型和离网型。按照主轴相对于地平面的方向，风机可分为垂直轴和水平轴2 种类型。创新基地采用并网型垂直轴风机。风机的控制主要通过风能并网逆变器以MPPT（最大功率点跟踪）算法进行。

（2）光伏：采用了多晶硅光伏、幕墙、光伏道路和光伏瓦4 种类型。根据额定功率的不同又设计了不同的系统构架。多晶硅光伏采用华为SUN2000-36KTL 型号的逆变器，主要控制算法也是MPPT。除此之外，华为逆变器还支持有功功率和无功功率的调节。逆变器提供5 种有功调节方式，分别是：禁止有功功率限制、通信限制百分比、参数设置绝对值、参数设置百分比、通信限制固定值。同时可以通过“有功功率降额梯度”调节有功降额响应时间的快慢。逆变器提供5种无功调节方式，分别是：禁止无功输出、通信调节功率因数、参数设置Q/S（其中Q 为调节的无功目标值，S 为逆变器的最大视在功率）。参数设置功率因数、通信调节Q/S。无论是调节有功还是无功，通信调节都需要将逆变器切换至远程控制模式。光伏道路、光伏瓦、光伏幕墙则选择DC/DC 变换器来控制其输出电压。再经过汇流箱，进系统配置的能量路由器，展示柔性交直流配电技术。DC/DC 变换器，也就是直流斩波器，通过控制电子元件的通断状态来使负载受到间断的直流电压，通过占空比变化最终实现输出电压平均值的控制。

图2 综合能源控制系统构架示意

（3）三联供系统：采用美国Capstone C200 系列微燃机，匹配烟台荏原的热水单效吸收式制冷机RCH020 以及2 个25 m3的蓄能罐。天然气进入微燃机发电，发电后的烟气进入温水换热器换热，换热后的温水作为溴化锂机组制冷的动力，在夏季时对基地进行供冷；冬季，微燃机排烟余热通过温水交换器产生的热水对基地进行供暖。

（4）储能系统：储能系统支持P/Q 控制模式和V/F 控制模式。通过PCS（能量控制系统）进行有功、无功、频率、电压的调节。接收上层指令，实现离并网切换。除此之外，储能系统还有BMS（电池组管理系统），对电池单体进行实时监控，超温超压，低温低压都将报警提示，超过一定范围PCS 将响应BMS 进行故障停机。

3.2 系统级快速协调控制

各个设备级控制层原本是独立的，只有经过上层的控制层协调控制，各个设备控制层才能协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济。这一层级的控制同样需要实时采集、快速响应。创新基地的系统级快速协调控制功能由DCS（分散控制系统）和专用的综合能源优化控制系统共同完成。

DCS 主要功能在于保证系统的安全稳定运行，包括顺序控制、系统级保护控制、稳态控制与紧急控制。如三联供系统可以实现仅供末端、仅蓄能、仅释能、边供末端边蓄能的4 种模式切换，设备协调控制，电压稳定调节，离、并网模式切换，黑启动，过程平衡控制等，同时与PCS实现双向通信，接受下发指令调节，是设备级的上层控制层。

创新基地采用的国产DCS-新华NetPAC Ⅱ系列支持多种通信协议，增强了综合能源控制系统的可扩展性。DCS 通过数据采集进行实时的策略计算与控制，满足100～1 000 ms 等级的实时控制需求，支持组态式可视化编程，满足灵活控制需求。配置的历史站可以完成历史数据的收集和服务。历史数据站软件包包括历史数据、数据追忆、报警日志（含操作记录）、报表等，此功能便于数据的调取和分析研究。

系统级快速协调控制层通过多种通信方式和设备级控制层进行交互，由DCS 完成控制指令的发送。基地主要采用了Modbus TCP，Modbus 485，104 规约、TCP/IP、硬件I/O 等方式进行交互。具体的系统网络结构如图3 所示。

新华DCS 通过建立虚拟控制器，将动态链接文件、配置文件一同拷贝至Vxcu 文件夹中，运行虚拟控制器，实现DCS 和从站系统的交互。为了便于系统维护，在各个子系统通信调试时不相互影响，将基地各个子系统的控制逻辑建立在不同的虚拟控制器中。基地各分系统的Vxcu 分配如图4 所示。

系统级快速协调控制通过可视化编程方式实现，如图5 所示为储能系统PCS 运行模式切换逻辑。目前，基地的综合能源系统已投入使用，如图6 所示为能量路由器的在线监视画面。

图3 系统网络结构图

另外，由于DCS 在算法优化功能方面较为薄弱，因此在控制系统构建中增加了综合能源优化控制系统，以模块方式集成至DCS 中，不直接和设备级控制层进行交互控制，而是通过和DCS进行数据交互完成对设备的优化控制，实施DCS不易实现的先进控制算法模块。

图4 控制器分配

图5 逻辑组态

图6 能量路由器实时监控画面

3.3 能量管理优化控制

综合能源控制系统的能量管理优化控制要求支持与系统级快速协调控制层的秒级交互控制与分钟级的能量优化控制。分钟级的能量优化调度主要完成2 个任务：

（1）制定综合能源系统运行计划。并网情况下，根据光伏风机出力预测、用户侧冷热电负荷需求、储能系统运行状态等信息，以提高系统综合能效为优化目标，滚动优化制定运行策略；离网情况下，以运行稳定性为首要目标，考虑负荷控制、光伏风机出力控制，实现系统离网的可靠稳定运行。

（2）制定备用功率计划，确保系统供能容量充足，保证系统安全运行。

4 控制系统构建应注意的问题

通过创新基地控制系统的构建和应用，建议在综合能源系统设计初期就以用户为中心，根据系统的物理架构，提出各个控制层的软硬件要求，以提高整个控制系统的可靠性和可扩展性。

4.1 设备级控制层

综合能源系统中的各个子系统一般成套出厂，自带PLC（可编程逻辑控制器）控制功能，能够独立运行。但在综合能源控制系统中，作为设备级最直接的控制层，在控制功能方面，要求其能完成本文在3.1 中提到的设备级控制的基本功能。硬件方面，应具备冗余的控制模块、通信模块，以保证自身的控制可靠性以及与系统级快速协调控制层通信可靠性。

4.2 系统级快速协调控制层

由于设备级控制层通信接口及协议无法完全统一，因此所选择的系统级快速协调控制层需要支持多种通信协议。基地的设备级控制层与系统级快速协调控制层之间的数据传输主要采用2 种方式，分别为MODBUS+RS485（TCP/IP）和IEC 104+TCP/IP 方式，通信时，系统级快速协调控制层作为主站，设备级控制层作为子站。系统级快速协调控制层与能量管理优化控制层之间以IEC 104+TCP/IP 方式通信，上层的能量管理优化控制层作为主站，下层的系统级快速协调控制层作为子站。其中主站是控制站，负责下发指令，召唤子站的监控信息；子站是被控站，负责执行主站下发的指令，上传本站监控信息。在设计初期，就应明确各个控制层之间主站和子站关系。

除了满足一般信号的数据采集可以通过通信方式实现，一些重要的信号如：进线开关状态、分合指令，储能系统SOC 值、运行切换，燃机的启停、功率等涉及离并网切换的，应采用硬接线的方式来实现快速控制，确保系统切换的安全可靠性。

4.3 能量管理优化控制层

能量管理优化系统应以用户为中心，借助互联网技术，与传统能源物理互联和智能终端相集成，实现用能计量、用能预测、能源出力预测等综合分析，为系统级快速协调层提供自适应控制策略。

5 结论与展望

创新基地的综合能源系统使用光伏、风机、微燃机等原动机发电，提升了清洁能源使用比重。使用锂电池储能、水显热储能等技术削峰填谷，最大限度降低了太阳能、风能出力波动，促进可再生能源的消纳，平抑区域电网峰谷差，提高电网资产利用效率。从单一的电网供电转型至多能源互补供能，降低了由于单一能源短缺导致用户用能中断的风险，提升了面向用户的供能可靠性。通过基地的综合能源系统应用，证明所构建的基于多能互补的综合能源控制系统既能满足控制系统的广域性，又能满足控制系统的实时性。

但在控制系统构建过程中，发现综合能源系统涉及的能源种类较多，因此跨学科、跨领域的现象比较普遍，需要更多的多学科交叉和产学研合作。各个设备厂家的设备级控制层的控制功能完善程度不一，由于技术保密等原因，进口设备的控制功能难以充分利用。各个设备子系统的通信接口定义也略有差别，即使是使用相同的规约和通信协议。

综合能源控制系统采用“局域网”形式，而非把所有信息上传到云终端进行海量数据优化运算的原因之一是：信息物理的安全性[13]。随着信息系统和能源系统的深度融合，能源互联网的信息安全问题也日益凸显。需要加强网络攻击和信息系统故障对于系统动态安全影响的研究，能源才能“广域网”式地互联，综合能源系统才能更加安全可靠地运行。