電力-天然氣綜合能源系統建模與仿真

常曉勇，王玉婷，陳福鋒，李玉平，徐程驥

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210032；2.南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211153）

0 引言

能源問題和環境問題是人類21世紀面臨的兩大難題，制約著人類社會的可持續發展。近年來，雖然我國的智能電網建設不斷取得突破性進展，但是人們逐漸意識到，單獨依靠智能電網仍然無法很好地解決大規模可再生能源的消納問題[1]。此外，隨著社會能源消耗總量的不斷增長，采用傳統的各能源系統單獨規劃、建設、運行的發展模式無法實現不同能源形式之間的優勢互補，影響能源的綜合利用效率，不利于降低能源整體成本[2]。為此，提出了綜合能源系統的概念。

綜合能源系統是指在規劃、建設和運行等過程中，通過對能源的產生、傳輸與分配（能源供應網絡）、轉換、存儲和消費等環節實施有機協調與優化，進而形成的能源產供銷一體化系統，是能源互聯網的重要載體[3]。綜合能源系統主要由供電、供氣、供冷/熱、電氣化交通等不同能源系統組成，利用先進的信息網絡和通信技術，實現多種能源系統的深度融合和緊密互動，促進能源及設備的高效利用，提高能源系統安全性和可靠性。通常，按照地理范圍可把綜合能源系統分為跨區綜合能源系統、區域綜合能源系統和終端能源系統[4]。

目前，國內外對于綜合能源系統的研究尚處于起步階段，當前的關注焦點主要集中在多能源系統的協同規劃、穩態分析、潮流計算、經濟調度和運行優化等方面。文獻[5]研究了基于冷/熱/電三聯供系統的多區域綜合能源系統的規劃問題，實現了系統中各類能源的優化利用。文獻[6]對電力-天然氣區域綜合能源系統進行了穩態建模和求解，研究了天然氣系統網絡狀態改變對區域綜合能源系統的影響。文獻[7]提出了一種適用于電、熱、氣的綜合能源系統擴展Newton-Raphson多能潮流計算方法，可以在系統不同運行場景下對多能潮流進行計算和分析。文獻[8]提出了一種計及風、光出力和電、熱負荷不確定性的綜合能源系統經濟調度模型，利用CVaR理論研究了不確定性因素對系統調度產生的影響。文獻[9]以綜合能源系統的供暖體系為研究對象，利用供應側和需求側的經濟性模型，實現了供應側電廠運行效率和需求側居民用電成本的雙目標優化。

除了上述研究方向以外，綜合能源系統中各能源網絡相互之間的動態影響問題也是一個需要研究的重要課題。然而，目前國內外針對該課題的研究成果還不是很多。文獻[10]通過建立天然氣網絡的動態仿真模型，研究了天然氣網絡和電力網絡之間的相互影響，然而文中主要側重天然氣網絡的研究，對電力網絡進行了簡化，并且只考慮了能量通過燃氣輪機發電系統從天然氣網絡向電力網絡流動的情況，并未考慮能量從電力網絡向天然氣網絡流動的情況。

隨著燃氣輪機發電技術和P2G（電轉氣）技術的快速發展和應用，天然氣系統在能源系統中的重要性越來越顯著，天然氣網絡與電力網絡之間的耦合也越來越緊密。因此，本文選取電-氣互聯的終端能源系統為研究對象，基于MATLAB/Simulink仿真軟件搭建了包含電力網絡、天然氣網絡和耦合環節（微型燃氣輪機發電系統和P2G系統）的終端能源系統仿真平臺，在此基礎上研究了微電網動態過程對天然氣供應網絡的影響。

1 電-氣互聯終端能源系統建模

以一個簡化的終端能源系統為研究對象，系統拓撲如圖1所示。該系統主要由一個交流微電網和一個天然氣供應網絡組成，二者之間通過一個微型燃氣輪機發電系統和一個P2G系統相互耦合。其中，微電網由光伏發電系統、儲能系統和負載等部分組成，通過PCC（公共連接點）的升壓變壓器接入上一級配電網，具有孤島運行和并網運行2種不同模式；天然氣供應網絡為一個簡單的低壓供氣網絡，通過一個調壓閥接入上一級天然氣網，調壓閥同時負責對網絡內的管道壓力進行動態調節，維持管道壓力在規定范圍內。

圖1 電-氣互聯終端能源系統拓撲

圖1所示系統中，微型燃氣輪機作為天然氣網絡中的負荷，利用天然氣燃燒做功，驅動同步發電機發電，同時作為微電網中的電源為電力負載供電；P2G系統作為微電網中的負載，根據電化學反應和催化反應，將電能轉化為氫氣和甲烷，同時作為天然氣網絡中的氣源，將生成的氣體注入天然氣網絡進行存儲或供其他負載使用。

1.1 微電網建模

針對微電網中的光伏發電系統，首先采用文獻[11]中的方法建立光伏組件的數學模型，其次將光伏組件進行串聯和并聯后組成光伏陣列，最后通過電壓源型DC-AC變流器接入微電網。通過對DC-AC變流器直流側母線電壓進行閉環調節，實現光伏發電的MPPT（最大功率點跟蹤）控

制[12]。

針對微電網中的電池儲能系統，采用等效電路的建模方法搭建了電池單體模型[13]。電池陣列通過雙向DC-AC變流器接入微電網。當微電網運行于并網模式時，電池儲能系統采用PQ控制，根據微電網中央控制單元下發的功率指令，進行有功功率和無功功率調節；當微電網運行于孤島模式時，電池儲能系統配合微電網中的微型燃氣輪機發電系統和光伏發電系統，參與微電網的電壓和頻率調節。

1.2 天然氣網絡建模

采用文獻[10]中的建模方法，將天然氣流假設為一維流體，利用質量守恒定律和牛頓第二運動定律，得到表示動態天然氣流的連續性方程和動量方程。采用有限元近似的思想，將連續性方程和動量方程由偏微分方程轉化為常微分方程：

式中：p為壓力；A為管道的橫截面積；c為天然氣中聲音的傳播速度；M為以質量計量的天然氣流量；D為管道直徑；f為摩擦系數；L為管道的長度。

天然氣網絡中調壓閥的功能是維持其出口壓力在設定值，為了模擬調壓閥的動態特性，采用簡化模型為：

1.3 耦合環節建模

微型燃氣輪機發電系統中主要包括微型燃氣輪機、發電機和變流器。微型燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室和透平組成，采用單軸型結構[14]。根據微型燃氣輪機各部分的數學模型建立微型燃氣輪機的整體模型，微型燃氣輪機驅動永磁同步發電機發電，然后經過整流器、逆變器及濾波器并入微電網。微型燃氣輪機發電系統拓撲如圖2所示。其中永磁同步發電機與微型燃氣輪機同軸，由于其轉速較高，需要首先經過AC-DC變流器將高頻交流轉換為直流，再經過DC-AC變流器將直流轉換為工頻交流。

如圖2所示的控制器中，AC-DC變流器采用轉速控制：ωg為測量到的發電機轉速，與額定轉速ωn比較，對誤差進行PI控制，得到q軸參考信號isqref，d軸參考信號isdref=0；根據永磁同步發電機的三相電壓usabc、三相電流isabc和相角θs，進行dq變換得到d軸電流isd和q軸電流isq，分別與isdref和isqref比較，對誤差進行PI控制，輸出AC-DC變流器的SPWM控制信號。DC-AC變流器采用功率控制：根據DC-AC變流器輸出三相電壓uabc、三相電流iabc和相角θ，進行dq變換得到電壓的d軸分量ud和q軸分量uq，以及電流的d軸分量 id和 q 軸分量 iq； 根據 ud， uq， id， iq計算得到DC-AC變流器輸出有功功率Pgrid和無功功率Qgrid，分別與參考值進行比較，經過PI控制，得到d軸參考信號idref和q軸參考信號 iqref；idref和iqref分別與id和iq進行比較，經過PI控制，輸出DC-AC變流器的SPWM控制信號。

圖2 微型燃氣輪機發電系統拓撲

P2G技術是指利用電能將H2O和CO2轉化為H2或CH4的過程。P2G的實現過程主要包括電解水和氫氣甲烷化2個步驟，如圖3所示。其中，微電網中的電能首先需要通過AC-DC轉換為直流，其次輸入P2G系統。

圖3 P2G系統拓撲

對于水電解環節，針對目前小容量裝置中普遍采用的PEM（聚合物電解質膜）水電解技術，采用一種基于等效模型的建模方法，根據實驗數據得到裝置中單體的I-V外特性表達式和H2產生速率表達式，從而得到其數學模型[15]。模型單體的外特性和制氫速率如圖4所示。電解水裝置根據其容量大小由若干個單體共同組成。

圖4 聚合物電解質電解水模型單體特性曲線

目前關于甲烷化反應裝置動態運行過程的研究成果較少，因此在建模過程中忽略了這部分的動態過程。

2 電-氣互聯終端能源系統仿真

為了對文中所搭建的仿真模型的動態特性進行驗證，在MATLAB/Simulink仿真平臺中按照圖1所示系統搭建了仿真模型，設計了不同算例，分別進行仿真和分析。

2.1 算例1

當微電網中分布式光伏發電系統的輸出功率不足時，微型燃氣輪機發電系統投入運行，采用功率控制模式進行發電，此時P2G系統處于退出運行狀態。研究了微型燃氣輪機發電系統輸出有功功率波動時對天然氣網絡的影響，仿真波形如圖5所示。其中，當t=20 s時，微型燃氣輪機發電系統輸出有功功率由額定值下降50%。根據圖5中的仿真波形可知，當微型燃氣輪機發電系統輸出的有功功率發生波動時，其需要的天然氣量也隨之波動，由于天然氣動態流動是一個具有很大慣性時間常數的長時間過程，因此天然氣網絡中各節點的壓力值會受到微型燃氣輪機發電系統進氣口流量波動的影響，產生相應的波動，并且這種波動現象會由節點2開始，由近及遠依次進行傳播。

圖5 算例1仿真波形

2.2 算例2

當微電網中分布式光伏發電系統輸出有功充足時，微型燃氣輪機發電系統退出，P2G系統投入運行。研究了P2G系統的動態過程對天然氣網絡的影響，仿真波形如圖6所示。其中，當t=20 s時，P2G系統的輸出由額定值下降50%。由圖6的仿真結果可知，與微型燃氣輪機發電系統相似，P2G系統的動態過程同樣會對天然氣網絡的氣體壓力產生影響。圖6中，由于P2G系統輸出的氣體流量突然減少，導致其接入節點（節點3）的氣壓突然降低，由于天然氣動態流動的大慣性時間常數特性，與節點3相鄰的節點2和節點4的氣壓在經過一段延時后也會發生相應的波動，并且天然氣網絡各節點的氣壓波動需要一個較長的過渡過程才能逐漸恢復穩定。

圖6 算例2仿真波形

3 結語

針對電-氣互聯綜合能源系統中電力網絡與天然氣網絡在動態運行過程中的相互影響進行了初步研究。選取一個微電網和天然氣網絡相互耦合的終端能源系統，研究了系統中各組成單元的數學模型，并在MATLAB/Simulink仿真平臺上完成了系統仿真模型的搭建。在此基礎上，通過仿真研究了微電網的動態過程對天然氣網絡的影響，分析了微電網和天然氣網絡之間的耦合環節。分析了當微型燃氣輪機發電系統和P2G系統的輸出發生波動時天然氣管道中氣體壓力的動態變化過程。研究成果為進一步分析綜合能源系統的動態過程提供了理論基礎，為深入研究綜合能源系統的運行控制和故障特征提供了試驗平臺。