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1、港口微電網建模仿真與運行管控技術南瑞集團有限公司2024.04.182 2港口微電網運行控制策略1 1港口微電網發展背景3 3港口微電網建模仿真4 4實際工程應用情況匯報目錄5 5建議與展望1.發展背景 習近平在第七十五屆聯合國大會上作出碳達峰、碳中和的鄭重承諾 2021年3月，習近平主持中央財經委員會第九次會議并發表重要講話，再次對碳達峰、碳中和作出重要部署，強調要構建以新能源為主體的新型電力系統，明確了“雙碳”背景下我國能源電力轉型發展的方向。我國制定了實現CO2排放于2030年前達峰，2060年前實現碳中和的目標。交通運輸行業能源消費情況交通運輸行業能源消費占全行業的10%各行業能源消費

2、占比各類交通能源消費占比水運占交通行業能源消費的9%交通運輸行業化石能源消費占比近90，是唯一的碳排放還在上升的領域，任務更為艱巨！1.發展背景建設世界一流港口建設世界一流港口1.發展背景政策、法規、規劃到2025年，世界一流港口建設取得重要進展，主要港口“綠色、智慧、安全”發展實現重大突破，地區性重要港口和一般港口專業化、規?；矫黠@提升。到2035年，全國港口發展水平整體躍升，主要港口總體達到世界一流水平，若干個樞紐港口建成世界一流港口，引領全球港口綠色發展、智慧發展到2050年，全面建成世界一流港口，形成若干個世界級港口群，發展水平位居世界前列。2017年以來，國家重點出臺一系列政策推

3、動港口發展，如中共中央、國務院印發交通強國建設綱要、“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃等，交通運輸部等多部門印發關于建設世界一流港口的指導意見、關于加快智慧港口和智慧航道建設的意見等政策性文件，為包括智慧港口和智慧航道在內的智慧交通發展指明了前進方向、提供了根本遵循。1.發展背景全國港口基本情況全國擁有沿海港口150余個，含24個主要港口、8個區域性樞紐港口、24個地區性重要港口等；內河港口1300多個，含28個主要港口。典型的如：上海洋山港：全球最大的智能集裝箱碼頭，年集裝箱吞吐量突破2500萬標準箱；寧波舟山港：全球第三大運輸港口，是中國超大型巨輪進出最多的港口，也是世界上少有的深水良

4、港；青島港：是世界最大的40萬噸級礦石碼頭、45萬噸級原油碼頭，可?？渴澜缱畲?2.7萬噸級郵輪的專用碼頭和世界一流的國際郵輪客運中心；標志港口與上市企業熱力分布圖（來源：前瞻產業研究院）港口能源使用現狀1.發展背景港口基礎設施的能量需求主要由電能、燃油、煤炭、LNG等能源提供?，F有的能源利用形式單一，尚未充分實現不同種類能源間的交互以及循環利用。港口多能負荷需求示意圖熱電冷從電網角度看，港區電網為傳統供電網絡，岸橋場橋等主要負荷潮流雙向流動且有較強的沖擊性，存在排放強度大、電能質量差、損耗高、運營成本高等問題。港口電網負荷統計圖港區多能源融合場景1.發展背景結合港區自然資源稟賦、港區及靠港船

5、舶能耗特征，可引入風力、光伏等分布式新能源發電、多形式儲能、船舶岸電、綠電制氫、各類冷熱源等新元素，以提升港區新能源發電與消納率，港口電能獲取也將由“遠方來”轉化為“遠方來”和“身邊取”共存。如此，港區電網轉變為具有“雙高”特征的微電網，新老問題交織，需要掌握其復雜運行特性并進行協調優化控制，以實現港區多種能源互補利用，提升能源利用效率。港口多能源管控場景示意圖2 2港口微電網運行控制策略1 1港口微電網發展背景3 3港口微電網建模仿真4 4實際工程應用情況匯報目錄5 5建議與展望2.港口微電網運行控制策略 港區多時間尺度能量管理架構示意圖環境約束能源價格負荷管理調度計劃負荷預測新能源發電預測

6、能量型資源調節計劃調整天長期能量管理分電壓控制頻率控制短期功率平衡功率平衡快速動態調節能力新能源發電功率秒毫秒港區能量管理主站調控能量型儲能、電制氫、充電樁協調控制器調控柔直、功率型儲能快速調節資源本地控制功率型儲能2.港口微電網運行控制策略 能量管理主站多時間尺度優化調度架構遞階模型預測控制是在傳統MPC的基礎上，將系統調度控制過程在不同時間尺度上進行分解，解決傳統MPC方法在應用中面臨的優化調度的復雜性和實時控制的快速性之間的矛盾。根據不同設備/對象的響應速度進行分類調度?；谶f階模型預測控制的多能協調優化調度架構如圖所示，分為日前計劃、實時校正兩個不同時間尺度，每個時間尺度的調度資源、優

7、化模型各有側重。短期模型預測滾動優化日前計劃啟停決策超短期模型預測滾動優化實時校正電解槽、燃料電池、能量型儲能、柔直互聯日前用能計劃每天計算一次15分鐘96點計劃基點功率型儲能柔直互聯、充電樁充放電指令功率調節指令每5分鐘計算一次5分鐘3點每5分鐘計算一次5分鐘3點實時量測、歷史采樣。2.港口微電網運行控制策略 能量管理主站優化調度策略-日前計劃 優化目標函數為適應港區多種運行場景及運行經濟性、綠色性的需求，在港區實際生產運行過程中，需要通過多能源融合系統協調各類可調資源，實現整體運行指標最優，故本方案中多能源融合系統日前計劃采用考慮港區本地新能源消納的運行經濟性作為主要的優化目標。minco

8、stbuyoppunfCCCC=+港區新能源本地消納率最優購售電/氫成本_,_,_,_,1111TTTTbuyebuye teselle tgbuyg tgsellg tttttCBPSPBPSP=+設備運維成本,1111,111TTTTchdisopPVPV tWTWT tESES tES tttttTTTFLEXFLEX tEHEH tHCHC ttttCCPCPCPPCPCPCP=+棄風棄光懲罰()()+=TttWTtWTTttPVtPVpunpunPPPPSC1,1,2.港口微電網運行控制策略 能量管理主站優化調度策略-日前計劃1、系統電功率與氫負荷平衡約束（1）電功率與產氫用氫平衡約

9、束（2）110kV母線倒送功率約束 約束條件1_,max0bussellesellPP2_,max0bussellesellPP2、電儲能設備運行約束在日前計劃階段只考慮能量型儲能的動作。0_1_1_1_1_1_1_1_1_11=+=FLEXloadbusEHbusdisESbuschESbusWTbusPVbusewastebusesellbusebuybusbusPPPPPPPPPPP0_2_2_2_2_2_2_2_2_22=+=FLEXloadbusHCbusdisESbuschESbusWTbusPVbusewastebusesellbusebuybusbusPPPPPPPPPPP_2

10、_1_0gasbuygsellgbusHCbusEHloadgPPPPPP=+=,1,11,2,1disEES tchchEES tEES tEESEES tEESdisEESdisEES tchchEES tEES tEESEESEESdisEESPEPttEtTPEPttEtT+=+=,max,max,001chchchEES tEESEES tdisdisdisEES tEESEES tchdisEES tEES tPPDPPDDD+,minmin,maxmaxEESEES tEESESOCEESOC,1()4BESSTchdisEES tEES ttDD=+2.港口微電網運行控制策略

11、能量管理主站優化調度策略-日前計劃3、柔直設備運行約束4、電解水制氫設備運行約束（1）電解水制氫設備功率約束（2）電解水制氫設備功率爬坡/滑坡約束5、電能系統潮流約束 約束條件6、儲氫設備狀態約束7、氫燃料電池設備運行約束,max,maxFLEXFLEX tFLEXPPPmin,1.1ratedEHEH tEHPPP,1EH tEH tEHPPP,1inoutEH tEH tEH tEH tratedratedEHEHVVSOHSOHtMM=minmax,EHEH tEHSOHSOHSOHmin,1.17ratedHCHC tHCPPP+100,max,max,outtEHintEHouttE

12、HoutEHouttEHintEHinEHintEHDDDVVDVV()()tntnTSttkknuuTSu,1,1,1+=2.港口微電網運行控制策略 能量管理主站優化調度策略-實時校正 實時校正每5分鐘執行一次，給出未來15分鐘的調度計劃，對因短期源荷預測誤差及系統突發性事件帶來的日前計劃偏差進行修正。值得注意的是，實時校正策略的制定是建立在日前計劃基礎上的，需考慮部分調節響應速度較慢的設備已根據日前計劃確定并開始執行相應指令，并以此作為校正策略制定的計劃基點。實時校正確定可快速調控設備的功率調節策略，如：功率型儲能、柔直設備以及電動作業車輛充電站等。2.港口微電網運行控制策略 港區多能源協

13、調控制器-協控策略 依托多能源協調控制器，在穩態實時運行與系統異常運行狀態下，對港區電網各個設備進行實時協調控制，控制設備包括儲能與柔直轉供系統。在系統正常運行狀態下：協調控制器根據實時采集的港區電網各設備運行遙測數據，對功率型儲能及柔直轉供系統協調控制，其他資源均按照港區能量管理主站指令運行。在系統異常運行狀態下：執行相應異?？刂撇呗?。異常工況1：主變重載且兩段母線負載出現嚴重不均衡；異常工況2：協調控制器與能量管理系統通信斷開。2 2港口微電網運行控制策略1 1港口微電網發展背景3 3港口微電網建模仿真4 4實際工程應用情況匯報目錄5 5建議與展望3.港口微電網建模仿真港口微電網仿真運行方

14、案1運行預測效果1運行方案2運行方案運行方案N規劃方案1規劃方案2規劃方案規劃方案N運行預測效果2（最優）運行預測效果運行預測效果N規劃預測效果1規劃預測效果2規劃預測效果（最優）規劃預測效果N映射調控規劃設計運行調控保護控制建模仿真是港口微電網規劃設計、優化運行的有效支撐手段。遵循“基于模型做預測（即建模仿真），基于預測做決策（即優化規劃和優化運行）”的思想，建立面向港口微電網離線/在線仿真分析能力，通過在仿真平臺上推演優化方案，驗證優化結果，最終形成優化決策方案。3.港口微電網建模仿真面向港口微電網的仿真需求，搭建仿真分析與輔助決策平臺（生產模擬平臺），主要包括源荷預測、聯合仿真、規劃優化

15、、運行優化、綜合評價五大功能模塊。源荷預測模塊為聯合仿真、規劃優化、運行優化提供基礎數據，聯合仿真對運行優化、規劃優化結果進行仿真驗證，綜合評價對運行仿真、規劃仿真的結果進行評價，并將結果反饋回去以進行進一步調整，這樣形成方案-仿真-評價-調整方案的閉環流程。3.港口微電網建模仿真硬件在環仿真（Hardware-in-the-Loop，HIL）是一種用于復雜設備控制器的開發與測試技術，通過接入真實的控制器，采用或者部分采用實時仿真模型來模擬被控對象和系統運行環境，實現系統仿真。下裝運行上位機仿真操作通信實現四遙與控制能量管理系統RTDS仿真主機仿真建模港區微電網模型港區實際網架RTDS仿真工作

16、站3.港口微電網建模仿真風機模型風速與風功率曲線3.港口微電網建模仿真光伏模型光伏輻照度-溫度-功率曲線3.港口微電網建模仿真儲能模型儲能功率曲線3.港口微電網建模仿真負荷模型負荷有功曲線3.港口微電網建模仿真電制氫模型電制氫功率與制氫量曲線3.港口微電網建模仿真柔直模型柔直傳輸功率曲線2 2港口微電網運行控制策略1 1港口微電網發展背景3 3港口微電網建模仿真4 4實際工程應用情況匯報目錄5 5建議與展望港口多能源管控系統示意圖風力發電系統光伏發電系統岸橋、場橋作業管理系統儲能控制系統綠電制氫與用氫系統船舶岸電系統冷熱負荷管理系統波浪能、潮汐能發電系統港區多能源融合綜合管控 2.港口微電網運

17、行控制策略 港區多能源融合管控系統為了實現港區多種能源互補利用，提升能源利用效率，需要在滿足港區高比例新能源電源及各類可調設備接入、滿足港區電網無人值守運行要求的條件下，設計考慮港區多能源融合的能量管理系統與管理策略，并在仿真環境中進行驗證和分析，對實際港區電網進行有效的協調優化控制。4.實際工程應用情況1 能量管理策略在電力系統實時仿真系統上的驗證在RTDS系統上針對港區電網進行建模與運行狀態仿真，運行數據通過IEC104規約上送至港區電網能量管理與協調控制系統，由后者生成在線優化調度策略并下發至RTDS仿真模型執行。PEC5000-G 能量管理主站PEC3900 協調控制器4.實際工程應用

18、情況1 收資及數據準備工作-可能的典型運行場景基于某港區源荷歷史數據，首先利用“手肘法”確定最佳聚類數，接著利用K-means聚類算法求出港區負荷與新能源（風電+光伏）的季度典型場景。下圖展示了港區各季度的源荷典型場景。一季度聚類信息一季度聚類信息三季度聚類信息三季度聚類信息二季度聚類信息二季度聚類信息四季度聚類信息四季度聚類信息4.實際工程應用情況1 收資及數據準備工作-可能的典型運行場景基于某港區源荷歷史數據，首先利用“手肘法”確定最佳聚類數，接著利用K-means聚類算法求出港區負荷與新能源（風電+光伏）的年度典型場景。下圖展示了港區全年的源荷典型場景。全年聚類信息全年聚類信息4.實際工

19、程應用情況1 港區日常運行場景仿真-概率最大場景風機光伏出力曲線港區負荷曲線4.實際工程應用情況1 港區日常運行場景仿真-概率最大場景港區10kV凈負荷曲線港區10KV I、II段間柔直傳輸功率曲線新能源消納率：100%用電自洽率：21.5%4.實際工程應用情況1風機光伏出力曲線港區負荷曲線 港區“源大荷小”場景仿真4.實際工程應用情況1儲能與電制氫功率曲線 港區“源大荷小”場景仿真港區10KV I、II段間柔直傳輸功率曲線4.實際工程應用情況1 港區“源大荷小”場景仿真凈負荷曲線新能源消納率：84.6%用電自洽率：81.1%4.實際工程應用情況1 小結1.基于港口微電網建模仿真平臺，搭建了港

20、區電網多能源融合及能量管理系統在環仿真環境，在具體運行場景下對運行管控策略進行了仿真；2.基于實際數據場景集，對正常運行場景（概率最大場景）、源大荷小場景（極端場景）進行模擬仿真，得到了新能源消納率、本地用電自洽率等指標；3.在“源大荷小”場景下，驗證了能量管理主站和協調控制器策略的有效性，新能源消納率由 70.92%提升至 84.6%，本地用電自洽率由 80%提升至 81.1%。2 2港口微電網運行控制策略1 1港口微電網發展背景3 3港口微電網建模仿真4 4實際工程應用情況匯報目錄5 5建議與展望5.建議與展望1.港口是連接水陸交通的樞紐，是支撐我國“一帶一路”建設的重要節點，也是推動我國

21、經濟高質量快速發展的重要載體。要努力打造世界一流的智慧港口、綠色港口，提升港口航運行業能源利用效率，降低碳排放，助力“30 60”雙碳目標實現；2.港口綠色化發展中引入光伏、風電等分布式新能源發電及氫能、熱能等多種能源形式，微電網“雙高”特征明顯，源荷不確定性特點突出、各設備之間的協調運行策略難以確定，需要結合仿真平臺，指導微電網運行策略形成，支撐策略的在環驗證工作；3.后續需聯合行業內各單位、主體進一步完善港區各類模型與仿真系統搭建，提升適用性、易用性，支撐更為豐富的場景仿真模擬，不斷迭代港區電網多能源融合及能量管理系統調度控制策略，提升港區微電網短時間尺度功率平衡能力及異常運行狀態下的穩定運行能力，支撐港口能源系統綠色低碳轉型。1