多能微網階段化多模式混合仿真關鍵技術綜述

張樹卿 唐紹普 朱亞萍 于思奇 孫鈺博

1(清華大學電機工程與應用電子技術系 北京 100084)

2(北京市智中能源互聯網研究院 北京 100176)

在能源生產與消費革命、“互聯網+”背景下，能源互聯網被設計提出，以解決資源緊張、新能源消納、環境污染和氣候變化、現有能源利用和設備利用率低下等問題；在電力體制改革的帶動下，通過局地能源高效利用尋求一定的經濟效益.

能源互聯網是基于互聯網思維和理念構建的新型的信息-能源融合復雜系統[1].作為能源互聯網的基本實現形式，能源互聯微網(多能微網)通過新能源發電、多種微能源采集、匯聚與分享以及微網內的儲能或用電消納組成[2]，體現了能源互聯網的“源網荷儲”各環節形式的多樣性、“源荷儲”交叉共建、能量轉化機理和系統運行特性復雜等特征.

國內能源互聯網尚在可研、規劃設計和摸索建設階段，即使在國外，也少有可參考的成熟案例.規劃設計階段重點關注技術可行性、源-荷匹配及能量運輸路徑和經濟性等因素，技術方面主要考慮多種能源的源與荷在多種可能的運行工況下的匹配、能源系統定工況計算與靜態穩定等.

實際上，能源系統的動態、暫態穩定性已在微電網、多電力電子電網中成為普遍關注的問題，并在實際電網中顯現，典型的是多變流器之間及其與電網間相互作用引起的振蕩[3]，在主電路參數匹配失當、裝置內部和裝置間控制不協調的情況下，易引發電路中的次同步振蕩[4-5].能源互聯網中更易由多尺度序貫控制機制[6]、低慣性和寬頻帶響應特性引起能源系統設備之間及能源互聯微網與外網之間的復雜交互作用，使得能源互聯網的暫態、動態穩定問題更加突出、形式更加多樣和復雜，增加了能源互聯微網行為特性分析研究和運行控制的難度.

各地已經開始了能源互聯網實際工程的探索和規劃、建設，已有園區能源互聯微網將逐步開始運行.然而，當前能源互聯網的理論體系、技術體系、標準體系、產業體系都還沒有形成[7].對于系統規劃參數設計及方案驗證、設備組網并網后的特性分析、控制行為特性分析、控制保護整定、系統的運行特性研究都需要有效的動態、暫態仿真技術手段作支撐.

多能系統是能源互聯網的物理層核心，已有的電網、微電網、熱電廠、熱力系統等能源系統仿真技術手段并不能滿足能源互聯網中多能系統動態、暫態仿真的需求.目前微電網、多電力電子網絡的仿真是傳統暫態穩定仿真和電磁暫態仿真的延伸，兩者均無法克服傳統暫態仿真的缺點[8].如針對微網次同步振蕩，由于仿真手段的限制，鮮有考慮多變流器的異構性和電網形態的多樣性[9-11].已有能源系統的動態、暫態仿真僅針對單一類型能源系統或設備，而對于不同能源形式的仿真程序相對獨立，無法計及不同類型能源系統和設備的關聯與耦合[12-15].

本文首先調研、總結了微電網和以熱能、熱力系統為代表的非電能源系統仿真技術現狀，它們是多能源系統動態、暫態仿真的基礎；接著總結多能微網的特征，針對這樣的系統，分析了動態和暫態仿真的要點和難點；基于復雜電網和微電網仿真技術，進一步提出了階段化多模式混合仿真的思想，并分解闡述了其原理及關鍵技術點.

1 能源網仿真技術現狀

1.1 能源互聯網仿真技術基礎

能源互聯微網是電網、微電網的拓展和延伸[16-17]，并在電能的基礎上引入了熱動系統、熱力網、燃料管網等非電能源，是多種能源綜合、互補分配利用的能源發、輸、儲、用系統.電網、電力系統仿真技術方面已有較豐富的成果，針對各類需求和關注點，形成了諸如潮流和靜態穩定、電磁暫態、機電暫態和準穩態、中長期穩定等較成熟的仿真手段.在電網、電力系統仿真技術的基礎上，人們通過模型開發拓展了微電網仿真技術，并有一定的應用[18-19].微電網仿真則為多能微網仿真提供了部分模型和算法基礎.

在能源互聯網中，多種能源系統的設備和子系統之間緊密耦合與相互作用.在非電能源領域，也有各自的分析計算方法和手段.因此，在多能微網仿真中可有選擇地引進和借鑒.

1.2 微電網仿真

微電網系統內分布式電源種類豐富，受外部環境變量的影響，微網運行環境、運行狀態復雜多變，包含多種能源的輸入輸出、多種能源轉換方式、多種運行狀態、部分電源的間歇性和隨機性，其中涉及到的物理過程跨越了幾十微秒、毫秒乃至分鐘以上的時間尺度.微網仿真重點關注新能源接入、分布式能源建設與并網等，涵蓋了上述較寬時間尺度的物理過程.

微網仿真包括穩定仿真分析、系統暫態穩定特性仿真分析和系統-裝置級行為特性精細仿真[19].

穩定性仿真分析的基礎，主要包括2類：1)根據給定的分布式發電系統運行方式求解系統的穩態運行點；2)短路故障分析是獲取系統各種短路故障下的故障電流，為系統中各種設備和開關容量的選擇提供依據.

系統暫態穩定特性仿真重點關注系統中慢的動態過程，采用簡化的網絡元件、電力電子裝置、分布式電源及各種控制器模型對系統建模(準穩態模型).

系統-裝置特性精細仿真更注重微網局部或設備更快、更細的特性，以電磁暫態仿真為核心，關注問題有如微電電能質量、系統控制器設計、保護與緊急控制系統設計、故障情況下的暫態短路電流等.

基于常規的電網仿真方法的拓展，在微網新形式穩定問題、大量新能源分布式發電并網等問題的研究中漸現不足.模型規模和計算量龐大、建模復雜度高使得電磁暫態仿真難以適用于包括大量變流器、眾多電氣節點的實際微網.機電暫態仿真則忽略了設備、電網的電磁暫態過程.

1.3 非電能源系統仿真

熱能系統是典型的非電能源系統，是國內規劃建設中能源互聯微網多能系統重要組成部分.熱力系統設備多樣、行為特性跨越較寬的時間尺度，模型通過代數方程、常微分方程和分布參數偏微分方程描述，能夠覆蓋能源系統建模和仿真解算的關鍵技術，具有代表性.

已有熱能系統建模與仿真研究大致可以概括為2個層級：部件-設備建模與仿真分析、部件-設備-系統建模與仿真.

1) 部件-設備層級建模與仿真分析.其主要針對設備內部結構參數優化、設備各環節設計和驗證、性能分析、變工況或擾動下設備運行狀態模擬、控制特性分析和控制設計等，建模無需考慮設備之間的關聯與耦合，針對熱力過程涉及的主要部件，根據不同需求建立不同詳細程度的模型，部件模型通過關聯狀態量或關聯方程聯立.根據模型解算結果分析不同層級的設備部件行為和特性，可分為靜態集總參數、靜態分布參數、動態集總參數和動態分布參數建模與仿真.以吸收式制冷機為例，Herold等人在文獻[20]中給出的集總參數模型具有代表性，可用于系統的熱力計算，也可用于簡化的設計計算；靜態分布參數模型可計算出制冷劑與溶液在各部件中的分布量.文獻[12,21-22]考慮到系統中工質熱容、流動狀態的差異，分別針對吸收式制冷機中發生器、換熱器等設備，建立了更為詳細的模型，大大提高了對系統運行特性描述的準確性.

2) 部件-設備-系統層級建模與仿真.其重點傾向設備-系統一級的過程和問題，包括在系統環境下設備選型匹配和協調運行、系統和設備運行特性分析、設備參數對系統的影響、系統性能分析、系統在運行條件變化或故障擾動下運行狀態模擬、系統和設備控制特性分析和設計等.該層級的仿真基本不考慮部件本體參數和工質狀態的差異性，部件-設備大多采用響應特性建模，設備模型之間通過關聯狀態量或輸入輸出聯立[22].通過分區集中模型，一定程度上反映主導的分布參數的特性.整體上，部件-設備-系統層級仿真，分為靜態和動態2種.

① 設備-系統靜態仿真.其考慮系統穩定運行工況，靜態模型可以用于根據該地區的氣候狀況和建筑物的使用性質等因素，針對系統全年冷熱電負荷的需求量和變化特點，確定系統的配置方案、運行模式和運行方案等，或根據分時電價以及電力、熱(冷)負荷的變化，對系統運行方案進行協調優化控制等.張微微等人[23]建立了鍋爐和3缸汽輪機的集總參數穩態模型，用于系統定工況和變工況計算；董坤[24]建立了代數方程描述的熱力系統穩態模型，并用于能效診斷和經濟性評估；張超等人[25]通過60多個非線性代數方程建立了完整的熱力系統，包括鍋爐、過熱器、再熱器、汽輪機等，并研究采用Powell方法求解；文獻[26]中建立了艦船熱力系統的穩態模型，部分設備基于機理建模，部分設備采用特性曲線擬合建模.

② 設備-系統動態仿真.其用于分析熱力系統受擾下的暫態和動態過程分析、研發系統的控制策略、系統安全穩定性能分析等.王兵樹等人[27-28]建立了蒸汽聯合循環機組和重型燃機組熱力系統的集總參數的動態仿真模型，基于系統動態仿真得到系統動態特性，可用于機組運行分析、故障診斷、控制開發和運行人員培訓等；羅波[29]以設備為單元，建立了包含接收器、油罐、管殼式換熱器、蒸汽蓄熱器、汽輪機等設備的太陽能熱發電熱力系統的動態模型并開展動態特性研究；馬文通[30]、蘇明等人[31]分別針對閥門、透平機系統和鍋爐、閥門、汽輪機、凝汽器系統建立了集總參數動態模型，用于系統級仿真，并針對小容積部件模型需要小步長解算的不足提出了時步預測方法.此外，還有專門針對設備-系統仿真建模和算法的研究，如文獻[32-33]提及了幾種熱力系統集總參數動態建模仿真的精度改進方法，如增加部件分段數、增加慣性補償方程式等.

與電力系統相比，熱力網規模不大，設備、部件數量有限，因而熱力系統仿真中設備之間的耦合處理較為直接，通過輸入輸出量和關聯狀態量聯立，形成更高維數的代數方程或微分方程組.對模型方程，通常也采用較直接的、常規的解算方法，如針對靜態模型代數方程組，多采用牛頓法或牛頓改進法[24-26]；針對動態微分方程組，常采用低階穩定性較好的算法求解，如隱式梯形法等[30-31].

1.4 多能系統仿真

在多能系統仿真分析中，冷、熱、電聯供系統是最為典型的、常見的多能系統.

在穩態建模仿真及其應用方面，已有較為豐富的研究工作.Murai等人[34]基于組件輸入-輸出特性模型為電驅動式熱泵區域冷熱聯供站提出了一種以運行成本為優化目標的運行控制策略；Buoro等人[35]研究了分布式冷熱聯供系統的運行優化及配置優化，仍是基于系統靜態特性的經濟性運行為目標；Ono等人[36]為提高區域系統聯供站的能源利用率，對供能端設備的優化運行進行了仿真，并表明優化運行策略將使得系統能耗和成本分別降低11.0%和8.2%；文獻[37-39]研究了冷熱系統的多目標運行化策略和冷熱電聯供系統的運行模式.還有針對建模或仿真本身的研究工作，如胡忠文等人[40]采用人工神經網絡建立了發電機、微燃機、溴化鋰收式機組模型，可解算出微燃機聯供系統隨環境溫度變化的狀態參數.

多能源系統動態建模和仿真剛開始起步，有少量初步的工作.上海理工大學熱工程研究所[41]建立了能源島冷、熱、電三聯供系統的數字、物理混合仿真，實現不同方案能源島系統的運行仿真，為設計、優化微燃機能量聯供系統提供部件匹配和參數匹配的指導，優化機組啟動過程以及運行控制；中國電力科學研究院施浩波[42]針對微型燃氣輪機、燃料電池聯合發電系統進行建模仿真，分析了聯合發電系統的動態過程對接入配電網的影響，包括電壓分布、系統穩定性等.

目前，針對熱力、電力、新型分布式發電等構成的多能源系統仿真研究多以靜態模型、以經濟性成本為目標的運行方式優化為主，而對系統的動態、暫態建模、仿真研究則剛開始有所關注.

2 多能系統特征、仿真要點和難點

2.1 多能系統基本組成及結構

國內已積極推進能源互聯網全方位的探索和規劃建設，并在多種能源高效綜合利用規劃設計方面已展開一定的工作.在不久的將來，多能系統至少包含電能、熱能和燃料化學能3種能源形式.在多能系統中，一般將新能源通過能源轉化裝置將其轉為電能，并通過變流器接入電網，主導電氣特性由變流器決定，因此新能源不單獨作為一種非電能源形式特殊考慮.多能系統基本組成如圖1所示，含大量電力電子裝置的交直流電網將源側和負荷側設備關聯耦合在一起，設備通過電力電子變換器或直接接入交直流電網.此外，在某些運行模式下，微電網可能接入常規輸配電網，當能源互聯微網內機組發電盈余時可并入電網，也可轉化為冷熱儲存，當機組滿足不了用戶端冷、熱、電負荷時，可從電網購得電能.典型的熱力系統包括熱電聯產機組、微型燃氣輪機、熱力設備、制冷機、儲熱蓄冷設備等，通過熱力暖通管網將熱能輸送至熱負荷；同時也可通過電熱轉換裝置獲得熱能.

Fig. 1 Structure of multi-energy system圖1 多能系統結構

多能系統結構和能源間耦合關聯如圖1所示，電力交直流微電網、熱力暖通管網和化學能燃料管網(氣網)3種能源網將多種能源設備關聯形成一張混合能源網.電網、熱力網通過三聯供機組、微型燃氣輪機、發電機和電制冷機等設備關聯、耦合.在能源互聯網中，需求側管理和需求響應負荷使得熱、電系統在負荷側又建立關聯和耦合，這種關聯不僅是穩態能量轉化和交換，也存在于在動態、暫態時間尺度.隨著熱力系統規模減小，其動態響應時間常數也在減小，與電網中長期動態過程時間常數發生重疊，甚至深入到機電暫態過程響應頻段，熱、電系統和設備之間存在動態、暫態耦合.在冷熱電三聯供機組中，一部分燃氣在燃氣輪機燃燒后驅動發電機組發電，同時排出的高溫煙氣可通過余熱鍋爐制得乏汽進行發電，或者直接制得熱水加以利用；另一部分燃氣在三聯供機組供應不足時通過驅動備用鍋爐來制取熱水進行供冷或供熱.跨能源動態、暫態耦合的另一路徑則是化學能燃料管網[43]，如通過燃氣鍋爐、微型燃氣輪機、燃料電池這些將化學能轉化為熱能、電能的能源轉化設備，熱能、電能、化學能3種能源網關聯和耦合.

Fig. 2 Dynamic response time constant distribution of multi-energy system[46-47]圖2 多能系統動態響應時間常數分布[46-47]

2.2 多能系統寬時間尺度特征

已有研究工作以設備為單元分析總結了常規電力系統[44-45]、微電網[19]受擾和控制干預下響應時間常數范圍.不考慮某些器件層級快速而細致的物理過程，如電力電子開關器件的開關瞬態，電能涉及的受擾物理過程及其控制干預，粗略地可將響應時間分為微秒至若干秒的暫態過程和十幾秒至幾十分鐘的中長期過程[46-47].

進一步補充熱力、燃料管網設備動態和暫態過程的時間尺度，與電力系統、微電網合并，得到典型能源互聯微網多能源系統的動態、暫態、中長期過程響應時間常數范圍，如圖2所示:

可見多能源系統全部設備響應時間跨度很大，從電力系統變流器高頻開關電路的電磁暫態微秒級過程，跨越到熱力系統設備中熱交換的幾十分鐘到數小時的過程.整體上，電能、熱能與化學能的動態設備元件時間尺度在2個范圍內有重疊：

1) 在幾秒到若干分鐘的范圍，物理過程涉及電網發電原動機、調速裝置、發電機機械慣性、設備過熱保護和限制、機械開關動作、自動發電控制、暫態切負荷、系統中長期過程等，涉及熱力系統中微型燃氣輪機啟動、鍋爐動態、儲熱蓄冷和換熱器熱交換過程等，涉及燃料管網燃料供給動態過程.

2) 在幾十分鐘到數小時的范圍，主要涉及電力、熱力系統中負荷調整及人員干預過程.

同一能源系統設備間的耦合不難理解，不同類型能源系統和設備間在上述2個時間尺度的耦合，至少通過如下3個途徑：

1) 電力、熱力系統、燃氣管網在能量源測中存在緊密耦合，鍋爐、微型燃氣輪機一部分熱能驅動透平機，帶動發電機發電，另一部分熱能進入熱力網供熱、制冷或儲存；

2) 熱電、燃料電池等發電設備，在燃料供給側耦合，同時這些設備將電網、熱力管網耦合在一起；

3) 熱、電負荷功率變化導致的熱力、電力網在幾十分鐘到若干小時時間尺度上的耦合, 屬于較慢響應過程的耦合.

前2種耦合在幾秒到若干分鐘時間尺度上耦合，屬于較快響應過程的耦合.多能系統設備在寬時間尺度上耦合，給仿真模型解算帶來了困難.一般地，響應快速的設備和子系統需要小步長解算，以保證算法收斂性和精度.電能系統小時間尺度的設備部件模型解算需要幾十微秒甚至更小的解算步長，若全系統數學模型采用同一步長進行解算，增加了運算量，降低仿真速度和限制仿真規模；若采用多種步長，尚未有成熟完善的數值算法保證模型解算的有效性和精度.

2.3 不同能源網機理差異、建模和解算差異

不同形式能源的設備、設備耦合形成系統的機理存在本質差異，建模和解算采用不同的方法，增加了多能系統建模和聯立解算的困難有3種情況：

1) 設備-設備、設備-網耦合建模及解算

電力系統主體是由發電機及其勵磁和調速控制、輸配電網絡、電力電子裝置和負荷等組成.電力系統的一次設備元件往往通過電網關聯耦合，在電磁暫態仿真和機電暫態仿真中，設備元件通過電網耦合，并通過“機網接口”并入整個電網，實現設備和電網模型的聯立求解.以發電機為例，端電壓和電流經坐標變換，與同步坐標下網絡方程接口并聯立求解，其轉子角用于發電機dq坐標下電量和網絡xy同步坐標下電量間的接口[48].

而熱力系統規模相對較小，設備數量有限，設備-設備之間的耦合較為直接，在仿真中設備模型多采用關聯方程或關聯參量聯立.

這種設備-系統和設備-設備的耦合模式，導致模型解算方法的差異.在每個時步解算中，對前者各設備和動態元件模型可以分開獨立解算，模型解通過機網接口并入系統(網絡)方程求解中，并進行聯立求解；對后者，各個設備和動態元件的模型直接聯立形成更高維的模型，全系統聯立統一求解或在算法層級設計分步解算方法.

2) 強非線性代數方程

能源網和設備的動態模型包括微分方程和代數方程2部分，其中非線性因素主要存在于代數方程中，是能源系統模型求解的難點.模型解算是否收斂和收斂快慢依賴方程未知數初值、迭代算法和加速收斂方法等因素.不同能源系統模型非線性來源和處理均有著明顯的差異.

對電能，電網往往通過稀疏線性方程建模，或動態集總參數網絡元件經差分化后的線性網絡方程；非線性主要體現在網絡變拓撲，特別是電力電子變換器的電路，拓撲結構變化頻繁，需在仿真中重構網絡方程，開關動作依賴于開關電路狀態，開關動作時間并非恰好在整步長，因而需要引入插值或補償機制[49-51].對于其他非線性代數方程描述的設備元件模型，如非線性靜負荷，一般根據母線電壓將方程轉化為電網注入電流，并與網絡方程迭代求解.

熱力系統動態模型非線性代數方程主要有：壓氣機、透平部件工作特性，換熱器的換熱方程(換熱溫差乘面積)，設備、系統總容積方程，物性方程等.一般地，這些方程聯立成高階非線性方程組，通過牛頓法及改進方法[24-25]解算.

可見，不同能源系統的非線性特性來源和建模存在顯著差異，處理和解算方法存在本質差異，因而不宜將混合能源網模型的全部代數方程聯立在一起求解.

3) 能源系統動態元件長過程狀態質變和多物理融合

熱力系統中工質狀態變化，如固態、液態和氣態之間轉化，其特性會發生非光滑連續的變化或顯著的變化.如吸收式制冷系統開機過程中，發生器溶液被加熱直到飽和溫度，認為自然對流換熱；而后蒸汽開始發生.對這種情況，用一組模型方程往往難以正確描述多個階段變化的物理過程.

電力系統中某些非線性動態元件多尺度物理過程重疊，給建模和模型參數獲取帶來了實質困難.如系統仿真中同步發電機基于Park變換的dq0坐標下的電氣方程，以定、轉子電路的電阻和電感作為參數[52].雖然方程和這些參數基本決定了電機的電氣特性，但這些參數難以通過直接測得的電機響應來確定，使得模型不具備實用和應用價值.

可見，能源元件設備本身的長動態過程中工質狀態質變、多尺度物理過程重疊融合等，增加了系統建模仿真的難度，在設備-系統層級仿真中難以建立一套能夠適應全動態過程的模型.

3 階段化多模式混合仿真

3.1 基本思想

第1節已充分總結微電網、非電能源網和多能源網仿真工作進程，常規電網、微電網和以熱能為代表的非電能源系統已有較好的模型基礎，各能源系統和設備模型解算算法相對成熟.為了利用和借鑒已有的能源系統仿真工作和基礎，開發組建多能系統的設備-系統層級仿真，本節概括提出階段化多模式混合仿真方法，給出其基本思想和關鍵技術，如圖3所示:

Fig. 3 The method of phased and multi-mode hybrid simulation圖3 多模式階段化混合仿真思路

階段化混合仿真針對能源系統動態元件長過程狀態質變和多物理過程融合，難以通過一組方程對動態元件準確建模這一難點，將一個動態過程分解為若干階段，分別建立動態模型并解算.動態過程階段劃分可以依據：

1) 工質狀態質變，如工質由液態轉變為氣液混合態，這個過程工質狀態量和特性有顯著變化，可將工質狀態質變前后劃分為不同階段；

2) 設備部件動態過程包含響應速度在較寬范圍變化的物理過程，可根據主導分量衰減所需時間劃分動態過程的各個階段.

多能系統寬時間尺度特性和不同能源系統機理差異帶來的建模和解算方法差異(設備-設備、設備系統耦合、非線性因素等)給多能系統仿真帶來實質困難.對此，多模式混合仿真方法將完整的多能系統在空間上分割為多個子系統，每個子系統采用適合各自能源形式模型的解算方法求解，在子系統仿真求解中，其他部分在分割邊界進行等值，并以特定的步長交換分割邊界的計算條件和參數，例如電網的電磁暫態、機電暫態混合仿真[53].多能系統空間分割可依據：

1) 設備和局部系統所關注的物理過程時間尺度大小，將響應時間跨度相近的設備和局部系統劃分在一起.如電力系統中直流電網、大容量電力電子設備、需要詳細測試分析的局部電網等，采用電磁暫態模式建模和仿真；而常規電網、一般發電機組和負荷等，采用機電暫態模式建模和仿真；

2) 不同能源系統和設備，因采用差異較大的建模和模型解算方法，如電力和熱力系統的設備-設備、設備系統耦合、非線性因素處理等，應分別建立能源子網模型，并通過多模式混合仿真方法接口聯立.

3.2 關鍵技術

階段化多模式混合仿真方法的關鍵技術分為：多能系統階段化建模方法和分階段模型過渡解算算法的實現，及能源互聯網多模式混合仿真接口的實現.

1) 多能系統階段化建模方法和分階段模型過渡解算算法

① 有效抽象和提煉設備元件主導動態過程，準確劃分工質質變分界點和多時間尺度物理過程衰減所需時間，可作為階段劃分的依據.

② 建立動態元件的各階段動態過程的數學模型，建立動態元件不同響應速率階段的數學模型.

③ 階段化模型仿真解算算法，在各階段模型準確解算的同時，保證相鄰2個階段有效銜接.

針對工質質變的階段化模型，工質物性方程可用于銜接相鄰2個階段模型解.針對多時間尺度物理過程融合，可通過建模方法確保有效銜接各個階段模型的解：通過若干不同響應速度的線性動力系統模型的解的疊加來近似多時間尺度物理過程.

2) 能源互聯網多模式混合仿真接口技術

① 多能系統空間網絡化分

根據多能系統空間分割的依據進行能源網混合仿真的子系統劃分，此外，仿真關注度高的局部系統和設備可放入時間尺度小的子網，進行更詳細、更快響應速度的求解物理過程.

② 子網解算時外網等效建模

多模式混合仿真中，每個子系統計算過程中，其余部分在系統分割位置處等效建模，分割接口等效模型應能夠反映能源系統能量動態交換物理過程和交互作用機理，能夠考慮模型方程類型差異、解算算法和步長的差異.如直流電網電磁暫態、常規交流電網機電暫態、熱動力設備慣性容積動態響應3種模式仿真子網模型間接口等效.響應快速的子網向慢速響應的子網等效，應提取低頻段物理特性；響應慢速的子網向響應快速的子網等效，除低頻段物理特性外，應根據需要補充中高頻段關鍵物理過程在分網端口的等效特性.

③ 仿真計算與分網接口交互時序

多模式模塊化模型聯立求解的時序流程，包括仿真主流程、子系統間等效參數和接口邊界量交互時序控制、各仿真模塊同步.

多能系統以微電網為核心，拓展了熱力系統、燃料管網，并以輸配電網為靠背，多模式混合仿真在時序設計中也應以電網、微電網為多能系統模型聯立解算的協調網絡，利于控制計算時序，加速收斂.

3.3 模型仿真結果分析方式

微電網仿真和非電能源仿真領域均有相應的發展，為多能系統仿真提供了模型基礎.因此對于系統中常規環節、部件，當前已經有較為豐富的模型可借鑒；針對系統中關鍵環節、部件，根據采用本文提出的階段化多模式仿真理論進行建模，重點考慮其外部特性與多能源系統各子系統仿真平臺中模型特性做對比分析.另外，對于系統中較易測試的特征量值，可結合實驗實測值對仿真模型進行相應考量.

構建典型多能系統案例，電網部分仿真與商業參考程序基本一致；據了解目前非電能源網系統級動態仿真軟件較少，因此，重點考慮其合理有效性.

4 典型案例

圖4給出了冷熱電聯供系統典型場景，進行基于多能系統的階段化多模式構型的說明.

Fig. 4 Typical example of cold combined heat and power system圖4 典型冷熱電聯供系統

在該系統中，風力發電機、燃氣輪機經過電力變換裝置將交流轉變為直流，相應的直流電網、大容量電力電子設備采用電磁暫態模式建模和仿真，如果不需要詳細的研究發電機、風力發電機、電力儲能等裝置特性，可采用機電暫態模型進行仿真測算；熱力及相應的負荷，應建立其相應的中長期動態過程模型；另外，由于電力網與熱力網運行機理的差異性，還可考慮其他的建模方式.由于不同能源系統和設備，建模和模型解算方法差異性較大，宜劃分建立不同的能源網絡，并通過多模式混合仿真方法接口聯立，此系統中，如將能源轉換為電能和熱能的燃氣輪機，將熱轉換為冷的制冷機，將電能轉換為熱、冷的制熱、制冷裝置等.

分階段建模在該系統中應用也是廣泛存在的，如相變儲能中工質在融化或凝固過程，對于固相區域，熱量以熱傳導方式傳遞；對于液相區域，熱量除了以熱傳導方式傳遞外，還可能會以對流方式傳遞.再如，發電機的動態、暫態模型中會考慮其次暫態過程和暫態過程，次暫態過程即為相對快過程，而暫態過程為相對慢過程.

5 總 結

能源互聯微網中多能系統動態、暫態特性和穩定性能作為能源互聯網優化設計、穩定高效運行、優化調控、新型設備研發測試等生產和科研分析計算的基礎，逐漸引起業內關注.

電網、微電網和熱力等非電能源設備-系統層級的建模和仿真是多能系統仿真的基礎，包括穩態分析、系統暫態穩定特性仿真和系統-裝置級行為特性精細模擬的電磁暫態仿真，后2種仿真模式各有優勢，也各有局限.現有熱力系統仿真規模不大，設備、部件數量有限，往往一套大型設備即為一個獨立的熱力系統.多能系統的動態建模和仿真剛剛起步，有少量初步的工作，如三聯供系統、微型燃氣輪機和燃料電池聯合發電等.

現有的電力、熱力及多能源系統建模和仿真工作為多能系統的動態、暫態仿真提供了一定的基礎，特別是部件和設備的模型.然而能源互聯網的多能系統具有動態過程覆蓋時間尺度寬廣、不同類型能源設備和系統耦合與交互影響的特點，不同能源網機理差異造成的建模仿真的差異，包括設備-設備和設備-網耦合機理及其建模解算、強非線性代數特性建模、動態元件長過程中狀態質變和多物理過程融合.這是多能系統動態、暫態仿真的根本難點.

針對多能系統特點及仿真難點，本文提出了階段化多模式混合仿真的思想及技術框架，階段化混合仿真針對能源系統動態元件長過程狀態質變和多物理過程融合，將一個動態過程分解為若干階段，分別建立動態模型并解算；而多模式混合仿真將完整的能源系統分割為多個子系統，每個子系統采用合適的算法求解，子系統間再通過混合仿真接口聯立.階段化多模式混合仿真能夠利用已有的能源系統仿真建模工作和基礎，開發組建多能系統的設備-系統層級仿真.最后，本文結合典型冷熱電聯供系統，針對性地說明了階段化多模式混合仿真技術在多能系統中的應用.