自强不息,推进电力能源科技创新
发表时间 2019-01-07 14:30 来源 本站原创

  ——记华南理工大学陈皓勇教授

  创新是企业发展的源泉,是社会进步的动力。当前,电力系统已经发展成为一个庞大复杂的工业体系,成为现代经济和社会的基石,同时也面临新的发展问题。如何在新时期新常态下,通过科技创新推动电力发展,破解能源困境,是一项事关国计民生和社会经济发展的重要课题。华南理工大学陈皓勇教授以复杂(大规模、随机性、分布式、网络化)电力(能源)系统(建模、分析、优化与控制)为核心学术领域,长期从事电力系统规划、运行与控制,新能源并网与智能电网技术,电力经济与电力市场,综合能源系统等方向的基础前沿研究和教学工作。他基于数学、物理学、经济学和生物学的基础理论,广泛采用信息/通信、优化/控制、线性/非线性系统、网络理论和经济管理的前沿方法和先进技术,着重电力(能源)系统问题的多学科交叉研究。

  陈皓勇,华南理工大学电力学院教授(三级),博士生导师,电力经济与电力市场研究所所长,IEEE高级会员,国家优秀青年科学基金获得者,教育部新世纪优秀人才。1990年考入西安交通大学少年班,1995年7月电力系统及其自动化专业本科毕业,2000 年6 月博士毕业(师从王锡凡院士)并留校任教,2006年12月调入华南理工大学。

  机缘巧合,得遇名师

  1975年,陈皓勇教授出生于湖南岳阳,历经求知若渴的少年时期,在1990年9月,年仅15岁的他考入了西安交通大学少年班,成为全国范围内选拔的29名优秀学生之一。这无疑是他学术生涯的开端,也为之后的研究道路推开了第一扇门。

  少年班的学习努力而充实,陈皓勇教授曾说,“少年班同学大多好胜心强,学习上你追我赶,形成良好的学习氛围,这些为日后的科研工作打下了扎实的基础。”

  1992年,经过两年少年班的知识积累,他以优异的成绩选择了西安交通大学电力系统及其自动化专业,正式踏入了电力之门。瞬间的机遇往往改变一生的命运,仍是普通本科生的陈皓勇,在这个时候,因班主任老师的介绍结识了刚从日本归国的王锡凡教授。彼时,王教授还不是中科院院士、IEEE Fellow。短暂的交流后,他便被王教授严谨治学、低调为人的精神深深感染,从此跟随王教授学习、工作长达12年时间。

  1995年,陈皓勇被保送为本校研究生,并且硕博连读,正式投入王锡凡教授门下。期间,他建立了电力系统无功优化的退火选择遗传算法(遗传算法和模拟退火算法相结合的一种新型进化算法),最先提出了电力系统分布式人工智能的原创算法——系统进化算法(后遵从国际学术界习惯改名为“协同进化算法”),无处不显露着与众不同的天赋与才华。王锡凡教授强调创造性的培养,对研究方向的把握更重于具体指导,对学生科研工作的启发更重于直接参与,使他的创新精神和独立科研能力得到了真正的锻炼。

  五年中,在王教授的指导下,陈皓勇高质量地完成了博士学位论文——“基于改进拉格朗日松弛法的电能成本分析”,为自己在电力系统优化调度、优化规划和电力市场等领域的研究交上了一张出色的答卷,该研究成果至今仍为紧锣密鼓进行着的电力体制改革提供重要的参考。“王老师这一辈子,一直在坚持不懈地做学术。没有任何动摇。”陈皓勇教授回忆,“他在学问上很严谨,对学生也很严格。无论是做科研,还是写文章,他的严格要求都让我得到了很好的锻炼。而承继他浑厚的学术底子,也为我后来的科研生涯打下了比较好的基础。”对于这位引领自己踏上电力系统科研之路的导师,他满怀感激,王教授不仅是他的学术导师,更是他的人生导师。

  2000年6月,新世纪的开始,陈皓勇博士毕业,一番新天地正等待着他。那一年,同学里愿意留校的人并不多,王教授却觉得他在学术上还有很大的发展空间,力劝他留下来。“在这个比较关键的时刻,他帮我做出了影响人生道路的选择。”陈皓勇教授说。

  在西安交通大学从教期间,他除了担任专业主干课《电力系统分析》等的教学工作外,还作为主要研究人员参加了王锡凡院士所主持的国家自然科学基金重点项目“我国电力市场的电价理论、交易机制及其模拟研究”和国家重点基础研究发展计划(973计划)“电力市场对电力系统运行可靠性的影响”等一系列国家重点项目。而且先后主持了国家自然科学基金青年基金项目“电力系统运行方式优化和综合资源规划的协同进化算法”以及国家社会科学基金青年基金项目“电力市场交易制度的实验经济学研究”,参编《电力市场基础》新教材,取得了丰硕的研究成果。

  勇挑重担,刻苦钻研

  2006年,带着出去闯一闯、促进科研成果转化应用和积极投身电力体制改革实践的想法,陈皓勇作为“百人计划”杰出青年教师受聘到华南理工大学,来到改革开放和能源产业的前沿阵地——广东。众所周知,广东省既是能源消费大省,也是技术产业大省,其能源产业在我国整个能源产业中占有举足轻重的地位。然而广东省资源贫乏,对外依存度高,面临经济发展和环境保护的双重压力,能源安全与有效利用已成为制约广东经济社会可持续发展的瓶颈。

  立足于这样的现实,陈皓勇教授刻苦钻研,想要带来一些积极进步。在华南理工大学任职期间,他得到了中国工程院院士李立浧、国家千人计划特聘专家吴青华教授等老一辈电力科学家的关心和支持。一分耕耘一分收获,在科研工作付出的心血,令陈皓勇教授获得了行业内的认同。他承担了国家自然科学基金项目等一系列国家和省部级重点项目,相继获得了教育部“新世纪优秀人才”、国家优秀青年科学基金获得者等称号。虽然已独自做出成就,陈皓勇教授仍不忘母校,与西安交通大学电力工程系保持长期且紧密的科研合作。两校联合申请了国家重大项目,他和恩师王锡凡院士等共同获得教育部高等学校科学研究自然科学一等奖,并进一步拓展到海上风电等领域的科研合作。

  在华南理工大学任职期间,陈皓勇教授除担任本科生课程“电力系统分析”,研究生课程“可再生能源与系统接入技术”、“先进电力系统控制理论与技术”、“现代电力系统前沿技术”等的教学任务外,还创造性地开设了“电力经济与管理导论”、“电力市场运营与企业管理”等一系列新课程,并将电力市场交易模拟实验引入电力市场教学。他培养了一大批优秀人才,大部分已经成为电力行业的骨干,或双一流高校的博士、硕士生导师。

  近年来主持的国家级重点项目包括:国家优秀青年科学基金项目“含高渗透率间歇式能源的电力系统鲁棒调度理论及方法”, 国家自然科学基金项目“基于微分博弈理论的电力系统最优协调电压控制研究”,国家高技术研究发展计划(863 计划)“先进能源技术领域智能电网关键技术研发”重大项目“多类型新能源发电综合消纳的关键技术”(子题)等10余项国家和省部级重点项目。获教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学一等奖等省部级以上奖励4项。担任中国能源研究会能源互联网专委会、中国自动化学会能源互联网专委会、中国电机工程学会新能源并网与运行专委会、中国人工智能学会智慧能源系统专委会委员,担任国家科学技术奖励评审专家、中国博士后科学基金评审专家等职。另外,他还担任着《Protection and Control of Modern Power Systems》(PCMP)、《电力自动化设备》、《分布式能源》、《电力大数据》等多家重要期刊杂志编委。2017年创立了“全球华人电力与能源协会”(Global Chinese Power & Enegy Society,总部位于香港)并获联合国教科文组织总部嘉奖。

  交叉创新,硕果累累

  长期以来,陈皓勇教授基于数学、物理学、经济学、生物学中的基础知识,将信息/通信、优化/控制、线性/非线性系统、网络理论和经济管理等领域的理论应用于电力(能源)工程领域,开劈出具有学科交叉特色的复杂(大规模、随机性、分布式、网络化)电力(能源)系统(建模、分析、优化与控制)研究领域,取得了丰硕的研究成果。

  一、用生物学思路研究大系统优化和经济博弈(演化)——协同进化算法

  在进化算法的研究中,陈皓勇教授借鉴自然界中的协同进化机制,引入生态系统的概念,将电力系统类比于自然界中的生态系统,将其中的优化问题的求解映射为生态系统的进化。他在世界范围内首次提出适用于电力系统规划、运行与控制和电力市场仿真等的协同进化算法(最初称为“系统进化算法”),并于1999年发表名为《电力系统机组组合问题的系统进化算法》的论文。随后在电力系统领域的国际权威期刊IEEE Transaction on Power Systems等上发表一系列相关论文,得到国际上电力系统、人工智能、经济管理等不同领域科研人员的广泛引用,引起包括美国阿贡国家实验室、美国伊利诺理工大学、美国北卡罗莱纳州立大学、约旦科技大学、雅典国家技术大学、澳大利亚悉尼大学、伊朗德黑兰大学、香港理工大学等多个研究小组的关注和跟进。

  这项研究成果已在电力行业得到了广泛的应用,而由美国、英国、德国等多国科学家组成的联合研究团队已找到自然界协同进化(Coevolution)的基因学证据并在《美国科学院院报》上发表(2015年7月7日)。借助当前人工智能技术发展的热潮,协同进化算法及其在电力(能源)系统中的应用还将有大的发展。

  此外,他还提出了基于改进拉格朗日松弛法和随机生产模拟的电源规划模型和算法,并基于拉格朗日松弛法建立了电能短期成本和长期成本分析的统一框架,高质量地完成了博士学位论文,该研究工作至今仍为紧锣密鼓进行着的电力体制改革提供重要的参考。基于这些研究,他参与的项目“电力系统的运行与规划的最优决策模型及方法研究”获2008年教育部高等学校科学研究自然科学一等奖。

  二、用博弈论(经济学)思路研究复杂系统控制——微分(动态)博弈控制

  电力系统包含大量分布式控制器,目前智能电网大力发展,更多的新型控制器将被引入。这些控制器作用于不同层面,控制目标相互独立,甚至存在冲突。新能源并网过程中,制定控制策略时若不进行协调,则可能导致各方相互牵制、抵消,背离控制目标,多个控制器的协调长期以来一直是电力系统领域悬而未决的难题。

  经过多年的学术积累,陈皓勇考虑能否将博弈论和控制理论相结合,发展出一种新型的电力系统控制理论和方法来解决这个问题,首次提出电力系统频率/电压协同控制的微分博弈模型及其求解算法,开拓了基于博弈论的电力系统多主体协同控制新方向。不同于传统的单主体控制,这种方法将每个控制器都视为独立决策主体,通过其间的自组织竞争达到均衡,更贴近于多控制器协调问题的本质。

  他在国际上首次将微分博弈理论应用于电力系统频率/电压协同控制,分别建立了一、二次调频和多区域互联系统调频的微分博弈模型以及相应的求解算法,所承担的国家自然科学基金项目“基于微分博弈理论的电力系统最优协调电压控制研究”也已结题并评为优秀。当前“博弈控制论”已成为控制理论界研究的热点之一。

  三、用最优控制和自然科学实验思路研究微观经济(市场)——基于连续时间商品模型的电力市场理论及电力市场实验经济学

  实时电价理论是许多国家电力现货市场设计的理论基础,但有两个重大缺陷:一是仍然基于传统的分时调度模型,忽略了电能生产和消费的时间连续性这个十分重要的特征对电能成本及电力系统调度运行的影响,没有认真处理跨时段约束;二是假设同一时段的电能商品都是同质的,无法区别基荷、腰荷和峰荷机组区别明显的技术特征及成本构成。为克服这些缺陷,陈皓勇原创地提出连续时间电能商品模型(即功率对于时间的函数),以及该模型下两者不同的定价方式,即实时电价和按负荷持续时间定价。两种定价方式下的市场优化问题也相应地由传统电力市场理论中的数值优化问题变为泛函极值优化模型(最优控制问题)。该理论和方法为新背景下国内外的电力市场建设提供了全新的思路和理论基础。

  现阶段不断开放的市场环境下,电力系统中存在不同的利益主体,在规划和运行决策中通常都以自身利益最大化为目标,传统的统一优化模型难以适用。在这个背景下,陈皓勇教授立足博弈论,建立了电力市场建模、分析与仿真研究,他提出了运用多项式方程系统求解电力市场均衡的方法,首次形成了基于实验经济学的电力市场博弈分析系统理论和方法,并结合基于协同进化计算的智能模拟和实验经济学方法研究了电力市场主体的交易策略和市场均衡等问题。这些研究工作得到国际同行的认可,被意大利都灵理工大学、西班牙卡斯蒂利亚·拉曼查大学和美国惠普实验室的多个权威学者引用。

  四、用统一能量思路研究能源网络系统——能量网络理论

  目前,在全世界面临能源枯竭与环境危机下,多种形式能源的综合利用已经成为必然趋势,陈皓勇教授也大力投入综合能源系统的研究中。他观察到,自然界的一个基本物理现象是,虽然电作为物质不能转化为蒸汽或热,但能量可以由电转移到其他物质,反之亦然。他基于电网络(电磁场)、热力学(非平衡态热力学与寂态热力学)、传热学与流体力学(流体网络理论),深入研究了不同形式的能量在传递、转换过程中的共性,从更深、更广的层次上研究了能量的传递和转换规律。

  基于这些理论,陈皓勇教授建立了描述多种能源耦合系统的能量网络理论,相继发表了论文《能量网络的传递规律与网络方程》(《西安交通大学学报》2014年10期)、《时变能量网络建模与分析》(《中国科学:技术科学分刊》)等,为综合能源(多能互补)系统建模与分析奠定了坚实基础。能量网络理论建立了从工程科学到基础科学的桥梁。

  除此之外,陈皓勇教授还在电力系统鲁棒调度/规划、区间无功电压控制、分布式信号处理等领域作出了一系列开创性贡献。他领导课题组建立了海南电网风电、光伏发电的短期/超短期功率预测系统和绿色调度系统,实现了无功补偿优化配置和实时无功优化控制,提高电网的可再生能源接纳能力,年均直接经济效益1.6亿元以上。改造了海南电网的AGC/AVC系统,保障了海南电网安全稳定运行,提高了电能质量。项目成果对海南自由贸易试验区和自由贸易港的电力保障有重要作用。

  知识的专业化能够延展科研的深度,知识的多元化则能够拓宽科研创新的广度。陈皓勇教授认为,当前电力(能源)领域所面临的一系列重大问题,只能通过跨学科(跨行业)合作来综合解决。他善于发现电力工业发展和能源生产利用中实际存在的难题,也能充分把握基础前沿科学领域的进展,取得了一系列原创性研究成果。面向未来,他也将紧跟时代脉搏,以执着的信念,博采众长,潜心钻研,不断攀登学术的新高峰,为推进能源生产和消费革命、实现中华民族伟大复兴的“中国梦”做出自己的贡献。