自強不息,推進電力能源科技創新
發表時間 2019-01-07 14:30 來源 本站原創

  ——記華南理工大學陳皓勇教授

  創新是企業發展的源泉,是社會進步的動力。當前,電力系統已經發展成為一個龐大復雜的工業體系,成為現代經濟和社會的基石,同時也面臨新的發展問題。如何在新時期新常態下,通過科技創新推動電力發展,破解能源困境,是一項事關國計民生和社會經濟發展的重要課題。華南理工大學陳皓勇教授以復雜(大規模、隨機性、分布式、網絡化)電力(能源)系統(建模、分析、優化與控制)為核心學術領域,長期從事電力系統規劃、運行與控制,新能源并網與智能電網技術,電力經濟與電力市場,綜合能源系統等方向的基礎前沿研究和教學工作。他基于數學、物理學、經濟學和生物學的基礎理論,廣泛采用信息/通信、優化/控制、線性/非線性系統、網絡理論和經濟管理的前沿方法和先進技術,著重電力(能源)系統問題的多學科交叉研究。

  陳皓勇,華南理工大學電力學院教授(三級),博士生導師,電力經濟與電力市場研究所所長,IEEE高級會員,國家優秀青年科學基金獲得者,教育部新世紀優秀人才。1990年考入西安交通大學少年班,1995年7月電力系統及其自動化專業本科畢業,2000 年6 月博士畢業(師從王錫凡院士)并留校任教,2006年12月調入華南理工大學。

  機緣巧合,得遇名師

  1975年,陳皓勇教授出生于湖南岳陽,歷經求知若渴的少年時期,在1990年9月,年僅15歲的他考入了西安交通大學少年班,成為全國范圍內選拔的29名優秀學生之一。這無疑是他學術生涯的開端,也為之后的研究道路推開了第一扇門。

  少年班的學習努力而充實,陳皓勇教授曾說,“少年班同學大多好勝心強,學習上你追我趕,形成良好的學習氛圍,這些為日后的科研工作打下了扎實的基礎。”

  1992年,經過兩年少年班的知識積累,他以優異的成績選擇了西安交通大學電力系統及其自動化專業,正式踏入了電力之門。瞬間的機遇往往改變一生的命運,仍是普通本科生的陳皓勇,在這個時候,因班主任老師的介紹結識了剛從日本歸國的王錫凡教授。彼時,王教授還不是中科院院士、IEEE Fellow。短暫的交流后,他便被王教授嚴謹治學、低調為人的精神深深感染,從此跟隨王教授學習、工作長達12年時間。

  1995年,陳皓勇被保送為本校研究生,并且碩博連讀,正式投入王錫凡教授門下。期間,他建立了電力系統無功優化的退火選擇遺傳算法(遺傳算法和模擬退火算法相結合的一種新型進化算法),最先提出了電力系統分布式人工智能的原創算法——系統進化算法(后遵從國際學術界習慣改名為“協同進化算法”),無處不顯露著與眾不同的天賦與才華。王錫凡教授強調創造性的培養,對研究方向的把握更重于具體指導,對學生科研工作的啟發更重于直接參與,使他的創新精神和獨立科研能力得到了真正的鍛煉。

  五年中,在王教授的指導下,陳皓勇高質量地完成了博士學位論文——“基于改進拉格朗日松弛法的電能成本分析”,為自己在電力系統優化調度、優化規劃和電力市場等領域的研究交上了一張出色的答卷,該研究成果至今仍為緊鑼密鼓進行著的電力體制改革提供重要的參考。“王老師這一輩子,一直在堅持不懈地做學術。沒有任何動搖。”陳皓勇教授回憶,“他在學問上很嚴謹,對學生也很嚴格。無論是做科研,還是寫文章,他的嚴格要求都讓我得到了很好的鍛煉。而承繼他渾厚的學術底子,也為我后來的科研生涯打下了比較好的基礎。”對于這位引領自己踏上電力系統科研之路的導師,他滿懷感激,王教授不僅是他的學術導師,更是他的人生導師。

  2000年6月,新世紀的開始,陳皓勇博士畢業,一番新天地正等待著他。那一年,同學里愿意留校的人并不多,王教授卻覺得他在學術上還有很大的發展空間,力勸他留下來。“在這個比較關鍵的時刻,他幫我做出了影響人生道路的選擇。”陳皓勇教授說。

  在西安交通大學從教期間,他除了擔任專業主干課《電力系統分析》等的教學工作外,還作為主要研究人員參加了王錫凡院士所主持的國家自然科學基金重點項目“我國電力市場的電價理論、交易機制及其模擬研究”和國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)“電力市場對電力系統運行可靠性的影響”等一系列國家重點項目。而且先后主持了國家自然科學基金青年基金項目“電力系統運行方式優化和綜合資源規劃的協同進化算法”以及國家社會科學基金青年基金項目“電力市場交易制度的實驗經濟學研究”,參編《電力市場基礎》新教材,取得了豐碩的研究成果。

  勇挑重擔,刻苦鉆研

  2006年,帶著出去闖一闖、促進科研成果轉化應用和積極投身電力體制改革實踐的想法,陳皓勇作為“百人計劃”杰出青年教師受聘到華南理工大學,來到改革開放和能源產業的前沿陣地——廣東。眾所周知,廣東省既是能源消費大省,也是技術產業大省,其能源產業在我國整個能源產業中占有舉足輕重的地位。然而廣東省資源貧乏,對外依存度高,面臨經濟發展和環境保護的雙重壓力,能源安全與有效利用已成為制約廣東經濟社會可持續發展的瓶頸。

  立足于這樣的現實,陳皓勇教授刻苦鉆研,想要帶來一些積極進步。在華南理工大學任職期間,他得到了中國工程院院士李立浧、國家千人計劃特聘專家吳青華教授等老一輩電力科學家的關心和支持。一分耕耘一分收獲,在科研工作付出的心血,令陳皓勇教授獲得了行業內的認同。他承擔了國家自然科學基金項目等一系列國家和省部級重點項目,相繼獲得了教育部“新世紀優秀人才”、國家優秀青年科學基金獲得者等稱號。雖然已獨自做出成就,陳皓勇教授仍不忘母校,與西安交通大學電力工程系保持長期且緊密的科研合作。兩校聯合申請了國家重大項目,他和恩師王錫凡院士等共同獲得教育部高等學校科學研究自然科學一等獎,并進一步拓展到海上風電等領域的科研合作。

  在華南理工大學任職期間,陳皓勇教授除擔任本科生課程“電力系統分析”,研究生課程“可再生能源與系統接入技術”、“先進電力系統控制理論與技術”、“現代電力系統前沿技術”等的教學任務外,還創造性地開設了“電力經濟與管理導論”、“電力市場運營與企業管理”等一系列新課程,并將電力市場交易模擬實驗引入電力市場教學。他培養了一大批優秀人才,大部分已經成為電力行業的骨干,或雙一流高校的博士、碩士生導師。

  近年來主持的國家級重點項目包括:國家優秀青年科學基金項目“含高滲透率間歇式能源的電力系統魯棒調度理論及方法”, 國家自然科學基金項目“基于微分博弈理論的電力系統最優協調電壓控制研究”,國家高技術研究發展計劃(863 計劃)“先進能源技術領域智能電網關鍵技術研發”重大項目“多類型新能源發電綜合消納的關鍵技術”(子題)等10余項國家和省部級重點項目。獲教育部高等學校科學研究優秀成果獎自然科學一等獎等省部級以上獎勵4項。擔任中國能源研究會能源互聯網專委會、中國自動化學會能源互聯網專委會、中國電機工程學會新能源并網與運行專委會、中國人工智能學會智慧能源系統專委會委員,擔任國家科學技術獎勵評審專家、中國博士后科學基金評審專家等職。另外,他還擔任著《Protection and Control of Modern Power Systems》(PCMP)、《電力自動化設備》、《分布式能源》、《電力大數據》等多家重要期刊雜志編委。2017年創立了“全球華人電力與能源協會”(Global Chinese Power & Enegy Society,總部位于香港)并獲聯合國教科文組織總部嘉獎。

  交叉創新,碩果累累

  長期以來,陳皓勇教授基于數學、物理學、經濟學、生物學中的基礎知識,將信息/通信、優化/控制、線性/非線性系統、網絡理論和經濟管理等領域的理論應用于電力(能源)工程領域,開劈出具有學科交叉特色的復雜(大規模、隨機性、分布式、網絡化)電力(能源)系統(建模、分析、優化與控制)研究領域,取得了豐碩的研究成果。

  一、用生物學思路研究大系統優化和經濟博弈(演化)——協同進化算法

  在進化算法的研究中,陳皓勇教授借鑒自然界中的協同進化機制,引入生態系統的概念,將電力系統類比于自然界中的生態系統,將其中的優化問題的求解映射為生態系統的進化。他在世界范圍內首次提出適用于電力系統規劃、運行與控制和電力市場仿真等的協同進化算法(最初稱為“系統進化算法”),并于1999年發表名為《電力系統機組組合問題的系統進化算法》的論文。隨后在電力系統領域的國際權威期刊IEEE Transaction on Power Systems等上發表一系列相關論文,得到國際上電力系統、人工智能、經濟管理等不同領域科研人員的廣泛引用,引起包括美國阿貢國家實驗室、美國伊利諾理工大學、美國北卡羅萊納州立大學、約旦科技大學、雅典國家技術大學、澳大利亞悉尼大學、伊朗德黑蘭大學、香港理工大學等多個研究小組的關注和跟進。

  這項研究成果已在電力行業得到了廣泛的應用,而由美國、英國、德國等多國科學家組成的聯合研究團隊已找到自然界協同進化(Coevolution)的基因學證據并在《美國科學院院報》上發表(2015年7月7日)。借助當前人工智能技術發展的熱潮,協同進化算法及其在電力(能源)系統中的應用還將有大的發展。

  此外,他還提出了基于改進拉格朗日松弛法和隨機生產模擬的電源規劃模型和算法,并基于拉格朗日松弛法建立了電能短期成本和長期成本分析的統一框架,高質量地完成了博士學位論文,該研究工作至今仍為緊鑼密鼓進行著的電力體制改革提供重要的參考。基于這些研究,他參與的項目“電力系統的運行與規劃的最優決策模型及方法研究”獲2008年教育部高等學校科學研究自然科學一等獎。

  二、用博弈論(經濟學)思路研究復雜系統控制——微分(動態)博弈控制

  電力系統包含大量分布式控制器,目前智能電網大力發展,更多的新型控制器將被引入。這些控制器作用于不同層面,控制目標相互獨立,甚至存在沖突。新能源并網過程中,制定控制策略時若不進行協調,則可能導致各方相互牽制、抵消,背離控制目標,多個控制器的協調長期以來一直是電力系統領域懸而未決的難題。

  經過多年的學術積累,陳皓勇考慮能否將博弈論和控制理論相結合,發展出一種新型的電力系統控制理論和方法來解決這個問題,首次提出電力系統頻率/電壓協同控制的微分博弈模型及其求解算法,開拓了基于博弈論的電力系統多主體協同控制新方向。不同于傳統的單主體控制,這種方法將每個控制器都視為獨立決策主體,通過其間的自組織競爭達到均衡,更貼近于多控制器協調問題的本質。

  他在國際上首次將微分博弈理論應用于電力系統頻率/電壓協同控制,分別建立了一、二次調頻和多區域互聯系統調頻的微分博弈模型以及相應的求解算法,所承擔的國家自然科學基金項目“基于微分博弈理論的電力系統最優協調電壓控制研究”也已結題并評為優秀。當前“博弈控制論”已成為控制理論界研究的熱點之一。

  三、用最優控制和自然科學實驗思路研究微觀經濟(市場)——基于連續時間商品模型的電力市場理論及電力市場實驗經濟學

  實時電價理論是許多國家電力現貨市場設計的理論基礎,但有兩個重大缺陷:一是仍然基于傳統的分時調度模型,忽略了電能生產和消費的時間連續性這個十分重要的特征對電能成本及電力系統調度運行的影響,沒有認真處理跨時段約束;二是假設同一時段的電能商品都是同質的,無法區別基荷、腰荷和峰荷機組區別明顯的技術特征及成本構成。為克服這些缺陷,陳皓勇原創地提出連續時間電能商品模型(即功率對于時間的函數),以及該模型下兩者不同的定價方式,即實時電價和按負荷持續時間定價。兩種定價方式下的市場優化問題也相應地由傳統電力市場理論中的數值優化問題變為泛函極值優化模型(最優控制問題)。該理論和方法為新背景下國內外的電力市場建設提供了全新的思路和理論基礎。

  現階段不斷開放的市場環境下,電力系統中存在不同的利益主體,在規劃和運行決策中通常都以自身利益最大化為目標,傳統的統一優化模型難以適用。在這個背景下,陳皓勇教授立足博弈論,建立了電力市場建模、分析與仿真研究,他提出了運用多項式方程系統求解電力市場均衡的方法,首次形成了基于實驗經濟學的電力市場博弈分析系統理論和方法,并結合基于協同進化計算的智能模擬和實驗經濟學方法研究了電力市場主體的交易策略和市場均衡等問題。這些研究工作得到國際同行的認可,被意大利都靈理工大學、西班牙卡斯蒂利亞·拉曼查大學和美國惠普實驗室的多個權威學者引用。

  四、用統一能量思路研究能源網絡系統——能量網絡理論

  目前,在全世界面臨能源枯竭與環境危機下,多種形式能源的綜合利用已經成為必然趨勢,陳皓勇教授也大力投入綜合能源系統的研究中。他觀察到,自然界的一個基本物理現象是,雖然電作為物質不能轉化為蒸汽或熱,但能量可以由電轉移到其他物質,反之亦然。他基于電網絡(電磁場)、熱力學(非平衡態熱力學與寂態熱力學)、傳熱學與流體力學(流體網絡理論),深入研究了不同形式的能量在傳遞、轉換過程中的共性,從更深、更廣的層次上研究了能量的傳遞和轉換規律。

  基于這些理論,陳皓勇教授建立了描述多種能源耦合系統的能量網絡理論,相繼發表了論文《能量網絡的傳遞規律與網絡方程》(《西安交通大學學報》2014年10期)、《時變能量網絡建模與分析》(《中國科學:技術科學分刊》)等,為綜合能源(多能互補)系統建模與分析奠定了堅實基礎。能量網絡理論建立了從工程科學到基礎科學的橋梁。

  除此之外,陳皓勇教授還在電力系統魯棒調度/規劃、區間無功電壓控制、分布式信號處理等領域作出了一系列開創性貢獻。他領導課題組建立了海南電網風電、光伏發電的短期/超短期功率預測系統和綠色調度系統,實現了無功補償優化配置和實時無功優化控制,提高電網的可再生能源接納能力,年均直接經濟效益1.6億元以上。改造了海南電網的AGC/AVC系統,保障了海南電網安全穩定運行,提高了電能質量。項目成果對海南自由貿易試驗區和自由貿易港的電力保障有重要作用。

  知識的專業化能夠延展科研的深度,知識的多元化則能夠拓寬科研創新的廣度。陳皓勇教授認為,當前電力(能源)領域所面臨的一系列重大問題,只能通過跨學科(跨行業)合作來綜合解決。他善于發現電力工業發展和能源生產利用中實際存在的難題,也能充分把握基礎前沿科學領域的進展,取得了一系列原創性研究成果。面向未來,他也將緊跟時代脈搏,以執著的信念,博采眾長,潛心鉆研,不斷攀登學術的新高峰,為推進能源生產和消費革命、實現中華民族偉大復興的“中國夢”做出自己的貢獻。

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