能源互聯網背景下的多能源輸送網絡聯合建模

董昕昕, 孫偉卿, 張 巍, 李海英

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

能源互聯網背景下的多能源輸送網絡聯合建模

董昕昕, 孫偉卿, 張 巍, 李海英

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

構建多元多向的能源輸送網絡、建設清潔能源供應基地，能夠提升能源的利用效率，降低能源供應成本，是支撐能源互聯網發展的基礎和前提。多類型網絡的整合與互聯，打破了不同類型能源之間的“隔離性”，使得各類能源輸送網絡發展呈現相互依托、相互促進的關系。電力網絡與天然氣網絡作為兩大發展成熟的網絡，其網絡特性以及網絡耦合形式值得深入研究探討。介紹了以電-氣聯合系統為主的能源輸送網的研究現狀，總結了不同能源的傳輸形式以及多種能源輸送網絡之間的耦合關系，著重分析了電力網絡與天然氣網絡之間的耦合方式，并綜合分析了計及不確定性和相關性的多能源輸送網絡的研究方法。最后，就電-氣聯合系統的數學模型及實現方式進行論述，并對未來的研究方向以及研究側重點進行了展望。

可再生能源； 清潔能源； 電力； 輸送； 互聯網； 網絡模型

0 引言

能源作為供給人類生產、生活的能量源，對其利用方式與使用類型的工業革新從未停息。傳統能源的匱乏及其不可再生性，限制了當今的工業與經濟發展，利用傳統能源產生的環境污染問題同樣使得人類社會面臨巨大威脅。在此背景下提出的能源互聯網[1-3]，旨在將清潔的可再生能源替代傳統能源，并融合互聯網框架作為能源互聯、互通以及互補的實現形式，從而達到能源利用效率最大化，以促進能源生產和消費模式的改變。

能源輸送作為實現能源互聯的前提，是目前主要關注的熱點問題之一。文獻[4]針對電力網絡與天然氣網絡，運用概率統計學對輸送的能量流進行分析，并同時考慮兩網間的不確定性對系統的影響。文獻[5]基于所提出的電-氣混合綜合動態模型，研究了電-氣兩網之間能源的交互。文獻[6]在計及風電、天然氣網絡與水電系統的基礎上，研究了電力系統機組組合問題。文獻[7]和文獻[8]從潮流計算的角度，同時計及電-氣網絡之間的耦合，對系統能量流進行分析。以上文獻就多能源系統能量流的求解以及建模方面進行研究，但對于能源耦合關系和能源輸送不確定性方面尚未作出深入探討。

本文總結了不同能源形式，著重分析電-氣之間的耦合方式，并針對多能源輸送網絡的不確定性和相關性進行闡述，最后就電-氣聯合系統的數學模型進行歸納。

1 能源輸送網絡間的耦合關系

傳統能源系統多為獨立運行，無論從能源利用效率還是能源輸送的靈活性角度，都不再適應如今快速發展的生產、生活方式。多能源之間的互聯、互通乃至互補是解決這一矛盾的重要途徑。

燃氣輪機作為電力與天然氣的耦合設備，其將天然氣作為燃料，并將所產電能供給電網運行；天然氣經燃氣鍋爐可生成熱能，根據熱能的品質進行分配用以發電或供熱；供冷可采用分散式電壓縮制冷；電動汽車作為交通網與電網的耦合單元，實現了電能對傳統能源的替代；氫燃料站將氫能作為燃料參與綜合能源系統運行；電轉氣技術可通過電解槽實現水電解制氫[9-15]。

鑒于電力網絡與天然氣網絡是成熟的兩大能源網絡，均有完整的體系，已進入民用階段，且兩網之間存在多種形式的耦合關系。文獻[16]對如何計算電-氣-熱三網融合的混合潮流進行了探討。文獻[17]分析了電-氣網絡之間的交互影響，并綜合考慮了燃氣管道約束，對電網風險進行評估。文獻[18]評估了天然氣分布式能源站的存在價值。文獻[19]、文獻[20]以最小化成本為目標，研究了電-氣聯合網絡的多階段規劃問題。

電-氣混合系統耦合關系如圖1所示。

圖1 電-氣混合系統耦合關系圖

①燃氣輪機組。

燃氣輪機組以天然氣作為燃料，發電供給電力網絡中的電負荷。燃氣輪機組作為電-氣轉換設備，在電網中是供電電源，而對于燃氣網絡則是氣負荷。燃氣輪機輸入、輸出關系如式(1)所示。

(1)

式中：Hg為輸入燃氣輪機天然氣的熱值；PG為輸出燃氣輪機的電功率；ω、β、γ為比例參數，其值取決于燃氣輪機的耗熱率曲線。

②電機驅動壓縮機。

由于天然氣在傳輸管道內存在損耗，需每隔一段距離設置加壓站用以升壓。當加壓站的壓縮機采用電機驅動時，可實現電-氣兩網之間的深度耦合，增強了能源傳輸的靈活性。其輸入、輸出近似為線性關系，具體如式(2)所示。

Pcom=ζHcom

(2)

式中： Pcom為電力網絡中節點處驅動壓縮機的等效電負荷;Hcom為注入到天然氣網絡的燃氣量；ζ為常數，通常取ζ=7.457×10-6。

③能源集線器。

能源集線器可實現多種能源形式的相互轉換，用于電-氣聯合系統中可等效為相應的電負荷、氣負荷以及熱負荷等。

能源集線器結構如圖2所示，主要可分為能源供應側、能源轉換裝置以及能源需求側三部分。其中，能源轉換裝置包括變壓器、中央空調、微燃機、燃氣鍋爐等，用于實現能源之間的相互轉換。

圖2 能源集線器結構圖

2 多能源輸送網絡的不確定性和相關性

多種能源形式的高度融合，以及新能源發電的接入，使得電力行業及其他相關產業面臨諸多不確定性的挑戰。同時，影響綜合網絡的變量間存在一定的相關性，需對傳統的網絡分析方式進行改進，才可實現正確評估。

2.1 多能源輸送網絡模型的不確定性因素

多能源輸送網絡的不確定性[21-28]可分為兩大類。

①源側不確定性因素。

新能源的接入大大增加了多能源網絡的不確定性，如風和光的不確定性。風機的出力受限于風速的波動，其影響因素既包含風電場所處的地域，也包含日夜差異以及四季變化。同樣地，光伏發電受日照強度以及日照時長等自然因素的影響。

②荷側不確定性因素。

能源互聯網涉及的負荷類型多樣，包括電、熱、氣、冷等。其波動性反映了用戶用能需求的變化，且不同能源的需求呈現不同的時空分布曲線。

文獻[24]計及可再生能源波動性與主動負荷的互動，對響應后的系統安全水平進行了評估。文獻[25]以電—氣互聯系統的總運行成本為優化目標，分析了在輸入變量不同的情況下，波動水平及相關性對系統運行的影響。文獻[26]考慮了光伏與負荷的不確定性對能源系統潮流的影響。文獻[28]考慮了風電和光伏出力、自來水量以及負荷的不確定性，對含新能源的水火系統進行優化調度。以上文獻針對融合新能源系統輸入端口處負荷的不確定性，對系統進行了評估，同時也說明了忽略系統荷側不確定性會對系統動態運行的評估造成誤差。

2.2 多能源輸送網絡的相關性因素

多能源輸送使得能源互動性增強，需計及輸入網絡各變量間的相關性才能準確描述此類復雜網絡的特性，具體相關性類型可分為三類。

①源與源之間的相關性。

在時空分布上，可再生能源有一定相關性。當多臺風機或多塊光伏板同時運行時，相鄰機組之間存在互相關性，且對于單個機組亦有自相關性。此類相關性一般滿足線性關系。

②荷與荷之間的相關性。

多能源系統的負荷之間存在相關性，對于同一區域，極有可能在相似時段經歷負荷高峰期或低谷期。這種相關性不僅存在于同類型負荷之間，而且同樣存在于不同類型負荷之間。例如電負荷與氣負荷在某些程度上就具有相關性，此類相關性同樣多為線性關系。

③源與荷之間的相關性。

因負荷與可再生能源均在很大程度上受溫度以及自然環境的影響，故二者之間在時序上具有一定相關性。此類相關性由于輸入變量分別滿足不同分布特性，故一般為非線性關系。

目前針對變量間相關性的研究中，文獻[27]采用秩相關系數來處理非線性相關的輸入變量，并驗證其對潮流的影響，但此方法無法體現變量尾部特性。文獻[29]針對風電、光伏等發電功率相關性進行概率評估，但并未考慮源荷之間相關性的影響。文獻[30]計及風速與負荷的相關性，分析其對潮流以及配網重構的影響，但并未考慮不同負荷特性曲線的差異性。

3 電-氣聯合系統的潮流模型

隨著能源形式漸趨多樣化，能源網絡結構日益復雜，更需構建適應高集成度的模型，以實現混合能量流的計算[16-18]。電力網絡與天然氣網絡作為耦合程度較高的兩大網絡，其模型大致可分為兩類。

①單點連接型電-氣聯合網絡。

這種連接形式下，天然氣網絡以單獨節點供應燃氣，作為燃氣輪機的能源輸送端。對于小型城市或是鄉村，由于占地面積和用戶側需求量小，考慮到建設管道的成本問題，一般只需天然氣網絡與電力網絡單點連接，即可滿足用戶需求。

②多點連接型電-氣聯合網絡。

在此連接形式下，天然氣網絡與電力網絡存在多處連接點，以便滿足大中型城市的能源供應。除以燃氣電站為耦合部分的多點連接外，因能源傳輸距離較遠，故每隔一段距離，還需設置加壓站來增加天然氣在管道內的壓力。

在電-氣聯合系統建模中，根據電力網絡各支路功率平衡條件，節點注入的有功功率Pi、無功功率Qi需滿足以下平衡關系。

(3)

(4)

式中：Pij為節點i與節點j相連支路的有功功率；Qij為節點i與節點j相連支路的無功功率。

對于天然氣網絡，各節點流需滿足如下平衡方程。

(5)

式中：Fm為氣網節點的注入流量；∑Fmm為與節點相連管道的總流量；∑αFcom,k為流經加壓站的總流量，α是用以判斷進出加壓站的系數；∑μcom,k為驅動壓縮機裝置自損耗流量，當加壓站使用電能驅動時，此項為0。

電-氣聯合系統的耦合單元包括兩個部分，其一為燃氣輪機，其輸入燃氣流量與輸出電功率需滿足式(1);其二為能源集線器部分，其一般引入能量轉化效率矩陣C以及比例分配系數矩陣η來描述輸入、輸出之間能量轉化的關系，如式(6)所示。

L=CηP

(6)

式中：P為注入能量；L為輸出能量。

4 結束語

本文以能源互聯網為研究背景，討論了多能源輸送的相關問題。從能源互聯網的概念出發，總結了電-氣聯合系統中能源間的耦合關系，簡述了其數學模型的構造方式。針對系統運行中輸入參數的不確定性和相關性，對源與荷之間的關系進行了歸類，同時總結了系統間連接形式劃分的電-氣聯合系統數學模型，最終對系統建模。目前，對多能源輸送網絡的建模更著重于電力系統部分，對其他系統建模較為簡化，且系統之間融合程度較低，與實際系統有所偏差。未來的研究可更側重于系統轉換環節特性，如電-氣聯合系統中燃氣輪機的最優選址定容，優化目標一定時確定電-氣轉換設備輸入側的電功率等；并制定多能源系統的經濟調度方案。

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JointModelingofMulti-EnergyTransportationNetworkunderBackgroundofEnergyInternet

DONGXinxin,SUNWeiqing,ZHANGWei,LIHaiying

(SchoolofOpticalElectricalandComputerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093，China)

Constructingdiversifiedandmulti-directionalenergytransportationnetworkandbuildingcleanenergysupplybase，whichcanenhancetheefficiencyofenergyutilizationandreducethecostofenergysupplyisthebasisandpremiseofdevelopmentofenergyinterconnection.Theintegrationandinterconnectionofvarioustypesofnetworks,breakingthe"isolation"amongdifferenttypesofenergy,makethedevelopmentofvarioustypesofenergytransportnetworkdemonstratethemutualsupportandmutualpromotion.Astwomajordevelopmentmaturenetworks,powernetworkandnaturalgasnetwork，theirnetworkcharacteristicsandnetworkcouplingformareworthyoffurtherresearchanddiscussion.Basedonthecombinationofelectricandgassystem，theresearchstatusofenergytransportationnetworkisintroduced,thedifferentformsofenergytransmissionandthecouplingrelationshipamongmultipleenergytransportationnetworksaresummarized,theelectricalandgascombinedsystemisemphaticallyanalyzed,andtheresearchmethodofmultienergytransmissionnetworkconsideringuncertaintyandcorrelationisdiscussed.Finally,themathematicalmodelofelectricalandgascombinedsystemissummarizedandthefutureresearchdirectionandresearchfocusareprospected.

Renewableenergy;Cleanenergy;Electricity;Transportation;Internet;Networkmodel

董昕昕(通信作者)，女，在讀碩士研究生，主要從事電-氣聯合能源綜合系統的研究。E-mail: 441881106@qq.com。孫偉卿(1985—)，男，博士，副教授，主要從事智能電網技術、電力系統規劃與優化、微電網發電與并網控制技術的研究。E-mail:sidswq@163.com。

TM727;TH

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701004

修改稿收到日期：2016-11-22