能源互聯網中的綜合能源系統研究

張 巍, 董昕昕, 孫偉卿, 吳俊宏

(1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093;2.華東電力設計院有限公司，上海 200001)

能源互聯網中的綜合能源系統研究

張 巍1, 董昕昕1, 孫偉卿1, 吳俊宏2

(1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093;2.華東電力設計院有限公司，上海 200001)

綜合能源系統作為能源互聯網的主要組成部分，實現了多種能源形式的轉換以及多種能源網絡的互聯互通，是未來的重點研究方向之一。針對能源互聯網背景下的綜合能源系統，介紹了國外發展綜合能源系統的實例。以能源形式以及能源輸送網絡的網架模塊性為基礎定義了能源互聯網的概念，并對綜合能源系統的研究現狀進行了闡述。詳細描述了應用于能源互聯網的綜合能源系統的概念，并從系統架構特性、清潔性以及互動性等方面總結了綜合能源系統的特點。詳述了現有的主要模型以及以系統復雜度劃分的兩類綜合能源系統模型，即基于能源轉換效率的模型以及基于儲能、能源轉換和負荷一體化的模型。最后對綜合能源系統的研究方向以及未來的研究重點進行了展望和分析。

電力； 綜合能源系統； 清潔能源； 互聯網； 協調控制； 儲能； 分布式能源

0 引言

在全球性能源危機以及環境污染的背景下，大力發展可再生清潔能源已成為推進社會轉型及能源產業發展的必然趨勢。能源互聯網是能源和互聯網思維[1-2]深度融合的結果，旨在提高能源利用率，并降低對傳統能源的依賴，轉變能源生產方式及消費模式。而綜合能源系統(integrated energy system,IES)作為一種新型能源一體化的開放型系統，是能源互聯網的主要載體。能源集線器是IES的集成表現形式，不同文獻中提到的能源路由、多載能體、能源樞紐等均為同一概念[2-5]。

目前，IES已成為各國能源行業大融合的入口，各國都在能源互聯網的背景下大力發展IES[3-5]。美國在2001年提出了IES發展計劃，旨在對分布式能源(distributed energy resources,DER)和熱電聯產(combined heating and power，CHP)技術進行推廣。加拿大預計到2050年建設社區級綜合能源系統，以實現節能減排。日本針對構建綜合能源系統開展了廣泛研究，如日本新能源產業的技術綜合開發機構開展的智能社區和智能微網研究、Tokyo Gas的綜合能源網研究等。

為促進未來能源的可持續供應，目前各界學者先后開展了與IES技術相關的研究。文獻[3]對IES及能源互聯網兩個領域的經典研究進行了闡述。文獻[4]介紹了IES在歐洲的發展現狀。文獻[5]總結了區域綜合能源系統的通用建模及規劃理論，以及國內發展現狀。文獻[6]融合能源系統和信息系統，提出了綜合配電系統的概念，并探討了規劃設計思路。上述文獻主要概括分析了IES的發展現狀以及規劃思路，但并未從建模的角度作具體討論。

本文從IES的概念出發，總結了IES內部的耦合關系及功能特點。同時，根據系統復雜程度劃分了兩種IES模型，并對IES未來的研究方向進行了展望。

1 IES的概念

IES作為新一代能源系統，是源、網、荷深度融合、緊密互動的集成化能源系統[7-15]，一般由以下幾部分組成：供能網絡單元(如供電、供氣、供冷、供熱等網絡)，能源交換單元(如冷熱電聯產機組、發電機組、鍋爐、空調、熱泵等)，能源存儲單元(如儲電、儲氣、儲熱、儲冷等)，終端綜合能源供給單元(如微網)和終端用戶。IES組成結構如圖1所示。

圖1 IES結構圖

IES的各級子系統之間存在多重耦合關系，能源集線器作為IES的功能性集成，更為形象地體現了能源間的耦合關系，使得各類能源之間可以互聯、互通以及互補。各能源之間耦合關系如表1所示[4-5,15-16]，表中所述能源均為可儲能源。

IES具有以下特點。

①靈活性。IES根據不同能源的特性，通過增強多能源之間的互補、提升能源傳輸及轉換效率，以提高整個系統的靈活性。當某類能源供給因故障中斷時，系統可利用其他能源實現連續供能。時間尺度上，不同能源形式的運行時間有快有慢，且能源供應存在慣性，系統啟停時間存在延遲，IES可在時間及能源獲取的難易程度上進行互補，形成良性互動。

表1 各能源之間耦合關系

②可擴展性。以模塊式劃分的IES可根據各適用區域面積，形成單獨的IES或多個IES聯合供應，多個IES之間可實現互聯，對于各類供能網絡、能源交換及存儲模塊有較強的適應性及融合度，以滿足更大規模的用戶需求。

③高度集成性。IES內部網絡化的集成中具有不同分工，可實現能量的產生、傳輸、轉換、存儲、使用等多種功能，所集成的互聯物理系統實現了各產業及用戶之間的深度融合。

④低碳性。隨著傳統化石能源的逐步枯竭以及新能源技術的興起，IES源側利用清潔能源代替傳統的煤炭能源，以塑造有利于節能低碳的城市空間環境為目標，從源頭上控制碳排放量。

⑤多能源協調控制。多能源之間的協調控制可極大地提高系統的安全性，使各級子系統在技術性與經濟性最優的狀態下運行，并可在發生事故時及時制定有效措施。

⑥有利于“電能替代”。相比其他能源形式，電能具有清潔、安全、便捷等優勢，實施電能替代對于推動能源消費革命、落實國家能源戰略、促進能源清潔化發展具有重大意義。多種能源與電力系統的高度融合，可以進一步加快“電能替代”的推廣和發展。

2 IES的數學模型

IES的數學模型一般需依據具體系統特點，對各類設備進行模塊化的模型構造。文獻[10]以節點為基礎構建融合系統節點及轉換單元的模型。文獻[11]根據能源系統輸入輸出關系，構建了集能源傳輸、轉換以及存儲于一體的集成系統模型。文獻[12]基于全能流模型思想，構建了區域多能源系統。文獻[16]提出了一種根據各分級模塊自下而上的多能源綜合模型。根據各能源及轉換設備的特性，進行數學建模。依據實際情況，可從簡處理或詳細建模。根據模型的復雜度，IES模型可分為兩類。

①基于能源轉換效率的IES模型[10-16]。

能源傳輸、轉換及存儲過程存在一定能耗損失，此類模型用效率函數描述轉換過程的損耗，并以此獲得輸入輸出接口的函數關系，可表述為：

L=CP

(1)

式中：L和P分別為以矩陣形式表示的輸出與輸入能量，包含電能、熱能、燃氣能以及其他各類形式能量；C為輸入輸出關系的耦合系數矩陣，其由中轉設備的效率以及能量分配比例決定。

多能源系統輸入輸出模型如圖2所示。

圖2 多能源系統輸入輸出模型

這類模型的優點是模型較為簡化，方便相關數據的計算，并可根據具體情況進行相應調整。其缺點在于僅用效率函數描述轉化過程缺乏實際數據的支撐，結構類型過于簡單，無法確保切實可行，同時不適用于對動態系統的模擬。

②基于儲能、能源轉換、負荷一體化的IES模型[13-15]。

儲能設備除去廣義上的儲電，還包括儲熱、儲氣、儲氫等多能源形式的儲存，同時交通網的融入使得電動汽車亦可作為儲能單元參與協調系統運行。這類模型將傳統的、可體現系統單一截面特性的模型加以擴展，形成考慮系統動態特性的實用型模型，接口輸入輸出關系可描述為：

(2)

式中：C為能源轉換環節;S為儲能單元;E為能源存儲量。

動態綜合能源系統輸入輸出模型如圖3所示。

圖3 動態綜合能源系統輸入輸出模型

此類模型詳細描述了各能源之間的轉換關系，可考慮到系統的動態特性，并可根據需求側響應實現負荷側的轉移和消減，具有較強的實用性。但由于各能源之間的耦合性強，使用該模型求解綜合能量流及最優化相關問題時，非線性度較高，不易求解。在現有IES相關技術不明確的情況下，很難建立一個準確的動態模型，因此該技術還有待進一步的完善和發展。

此外，一些文獻考慮了新的因素，提出了新的IES建模方式，如文獻[13]將小型分布式發電系統及虛擬電廠融入多能源系統，構建了相關模型;文獻[16]基于能源樞紐的概念將產品生產及廢棄物排放融入到了能源系統中，構建了集成能源、經濟及環境的互動性綜合樞紐。

3 綜合能源系統的研究方向

能源互聯網是IES出現的大前提。IES使得能源互聯網中各能源之間的聯系更加緊密，但同時帶來了不少新的問題，未來應重點關注的研究趨勢如下。

①考慮系統動態和多種能源的特性，進行IES數學建模。考慮能源轉換與傳輸的動態變化規律及各類負荷的變化特性，并利用各能源自身的特性，實現能源之間的相互補充。例如：考慮到電能易傳輸、難存儲，而熱能則易存儲、難傳輸的特點，加入儲熱和電熱轉換單元，可實現熱電之間的互補。

②開展潮流計算和其他電力系統計算[17-22]。傳統的潮流計算僅用于電力系統，多能源綜合系統則需考慮混合能量流的計算。根據不同運行模式，以及各能源網絡之間的耦合關系，可對以往的統一求解方式以及順序求解法作出改進，實現IES的并行求解，快速準確地求解相關潮流問題。同時，在多能源系統的背景下，可仿照電力系統的計算方法進行求解計算。

③考慮時間尺度問題。各種能源自身的時間尺度不一致，如電能是瞬時的，氣是需要時間傳輸的，需考慮能源轉換、傳輸、存儲等時間，以此更準確地描述整個系統變化特性。

④考慮綜合系統的不確定性[23-24]。在多能源協同運作下，系統隨機性和互動性增強，系統狀態更加復雜多變，不確定因素更加多樣。如何評估各類不確定因素對綜合系統的影響，是預測系統安全性和可靠性至關重要的問題。未來的系統模型應考慮輸入、傳輸、轉換等部分的不確定性，更加全面地描述系統特性。

⑤建立市場化模型。在遵循能源互聯網宗旨的前提下，各能源運營商以及用戶之間需建立協調雙方的運營交易機制，既可滿足用戶側需求，又可結合各類能源的分時價格，實現低價購買。

⑥多綜合能源系統的協調控制。不同能源形式在不同應用場合承擔不同的角色，對這種復雜系統的管理與控制尤為重要，需依據各能源系統最優運行方式來實現各能源利用率的最大化，以及各子系統的協同運作。

4 結束語

在能源互聯網的背景下，各類能源不再是相互獨立的個體，能源體間存在越來越復雜的聯系，IES作為能源互聯、互動以及互通的橋梁，是未來研究的重點。

本文從能源互聯網的概念出發，對綜合能源系統的研究狀況進行了闡述。由于現有對IES的研究中較少考慮各能源網絡間的耦合關系，故本文詳細描述了IES之間多重耦合的關系以及系統特點，未來研究可側重于網絡接口處的特性研究。通過總結現有文獻中的主流模型，對其進行數理整合并提出了基于系統復雜程度的模型結構。最后，對綜合能源系統的研究方向進行了展望，大力發展綜合能源系統可解決目前功能系統安全性低、自愈能力差、設備利用率低等一系列問題，未來可針對多能源系統特性、綜合潮流計算、考慮系統時間尺度問題、綜合系統不確定性、市場化系統以及綜合系統協調控制策略等六個方面進行相關研究。

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Research on the Integrated Energy System in Energy Internet

ZHANG Wei1， DONG Xinxin1， SUN Weiqing1， WU Junhong2

(1.School of Optical Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093，China; 2.East China Electric Power Design Institute Co.,Ltd., Shanghai 200001,China)

As a major part of energy interconnection,integrated energy system realizes a variety of forms of energy conversion and a variety of energy network interconnection,and it is one of the key research directions in the future.Aiming at the integrated energy system under the background of energy internet,examples of developing integrated energy system in foreign countries are introduced.Based on the form of energy and the grid modularity of energy transportation network,the concept of energy interconnection is defined,and the research status of integrated energy system is reviewed.The concepts of integrated energy systems applied to energy interconnection are described in detail.The characteristics of the integrated energy system from the aspects of system architecture,cleanliness and interaction are summarized.The existing main models,the model of two kinds of integrated energy system,which is divided by system complexity，and models based on energy conversion efficiency and based on energy storage-energy transfer-load integration are described in detail.Finally,the research directions and the future research emphasis of integrated energy system are prospected and analyzed.

Electricity; Integrated energy system(IES); Clean energy; Internet; Coordinate control; Energy storage; Distributed energy resources(DER)

張巍(1983—)，男，博士,講師，主要從事能源互聯網、電力系統規劃與優化運行方向的研究。E-mail:24482427@qq.com。

TM727;TH-39

A

10686/j.cnki.issn 1000-0380.201701003

修改稿收到日期：2016-11-22