基于鲁棒最优潮流与储能协调的长脉冲聚变电站并网方案研究

《Fusion Engineering and Design》：Research on grid connection scheme of long pulse fusion power plant based on robust optimal power flow and energy storage coordination

　　

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  面向聚变反应堆停堆期的储能鲁棒最优潮流。
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  储能参与电力系统功率补偿与削峰填谷。
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  通过IEEE 30节点测试系统的24小时仿真验证可行性。
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  在IEEE 30节点系统上实现80%储能容量削减，同时增强稳定性。
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  电压稳定裕度和暂态稳定裕度分别提升14.8%和0.83%。

引言

工业化的快速发展使人类面临前所未有的能源危机[[1], [2], [3], [4]]。受控核聚变被广泛认为是解决未来能源需求的终极方案[[5], [6], [7], [8]]。相关技术的并行进展使实用化聚变能源逐渐成为现实[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。多家商业机构预测，聚变发电厂最早可能在21世纪30年代并入电网[16,17]。在现有的设计范式中，长脉冲运行模式——其特征为持续运行数小时后进行数十分钟的维护停机——预计将成为主导运行策略[[18], [19], [20], [21], [22], [23], [24]]。然而，这种模式在聚变反应堆停堆期间不可避免地会产生显著的功率缺额。因此，具有优越调度性和稳定输出特性的传统电源——如燃煤、燃气和水电机组——仍然是当前能源基础设施中不可或缺的组成部分[25,26]。

现有的聚变电厂功率中断解决方案大致可分为两类。第一类依赖储能进行削峰填谷，相关研究提出了热能存储[[27], [28], [29], [30], [31]]或热电混合储能方案[32]以提高灵活性。第二类利用备用能源进行补偿，如天然气辅助锅炉或氢能[33,34]。然而，这些方法存在显著缺陷。前者需要极大容量的储能系统，导致经济性较差；后者则需在小时级时间尺度上频繁启停大规模机组，运行上具有挑战性。

为克服上述局限，本文提出了一种“补充发电与储能”协调并网方案。具体而言，在为聚变电厂配置一定容量储能的同时，在停堆期间增加电网中邻近常规机组的出力，共同确保供电稳定性。然而，标准确定性最优潮流或经济调度模型可能不足以应对这一挑战，原因在于：（1）它们通常只针对单一预测运行工况进行优化，未显式考虑不确定性[[35], [36], [37]]；（2）它们未显式刻画与聚变反应堆运行和停堆时间相关的大规模周期性功率扰动[38,39]；（3）控制资源的响应速度与扰动动态不匹配[40]。

因此，本研究旨在为脉冲式聚变电厂开发一种鲁棒安全约束优化框架。与现有研究主要独立考虑鲁棒最优潮流、聚变电力系统运行或储能不同，所提出的框架在最恶劣运行场景下协调多时间尺度控制资源，以最小成本增强系统安全性。此外，储能与鲁棒最优潮流协调配合，在聚变运行期间吸收由最恶劣调度产生的过剩发电，并在停堆期间释放储存的能量，从而缓解由此产生的功率不平衡并提供功率支撑。

本文其余部分组织如下。第2节详细介绍了所提出的模型。第3节通过基于IEEE 30节点系统的仿真验证了该模型。第4节对仿真结果进行了深入分析，特别强调了系统稳定性。最后，第5节总结全文并展望未来研究方向。

章节摘录

聚变电厂运行特性

当前主流的聚变电厂设计（如CFETR、EU-DEMO和K-DEMO）均基于托卡马克装置[[41], [42], [43]]。这些装置利用磁场约束等离子体以实现可控聚变反应[[44], [45], [46]]。磁场由外部磁体和等离子体电流共同产生[[47], [48]]。这一原理意味着一旦等离子体电流衰减或熄灭，磁场平衡将被打破。因此，

仿真参数

为验证所提方案的有效性，在IEEE 30节点系统上进行了仿真（布局如图3所示）[51,52]，并进行了以下修改：

• (1)
  聚变电厂建模：发电机G3被建模为额定出力50 MW的聚变电厂。它以2小时运行后20分钟停机的周期模式运行（如图1所示）[30]。该机组不参与系统调度，始终按照其

稳定性分析

为评估鲁棒最优潮流带来的系统稳定性提升，在基础负荷曲线上叠加±15%的随机扰动（图4）。分别采用标准最优潮流和鲁棒最优潮流进行滚动优化，并从以下三个方面比较稳定性表现：

(1) 电压稳定裕度

电压稳定裕度量化了系统中任一母线电压与其最小稳定运行极限之间的最短距离，从而反映了

讨论

第3节IEEE 30节点系统案例研究和第4节稳定性分析的结果表明，鲁棒最优潮流与储能之间的协调对于管理长脉冲聚变电厂特有的功率变化至关重要。鲁棒最优潮流通过考虑不利运行条件和功率数据不确定性来提高系统安全性，但其保守调度可能导致过剩发电。储能可以在聚变电厂运行期间吸收这些过剩功率，并在停堆期间释放

结论

本文研究了长脉冲聚变电厂并网运行和网络安全方面的挑战。提出了一个集成鲁棒最优潮流（鲁棒OPF）和储能的协调框架，以应对周期性功率扰动和功率数据不确定性的综合影响。鲁棒最优潮流考虑了不利运行条件，而储能提供了额外的灵活性来管理由此产生的功率不平衡

资助

研究资助方：中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所。基金名称：中国聚变技术综合研究设施计划。 资助编号：No. 2018-000052-73-01-001228。

CRediT作者贡献声明

苏航： 写作 – 初稿，软件。 李华： 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，监督，数据管理，概念化。 宋志泉： 监督，资金获取。

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