區域綜合能源系統中考慮季節負荷特性的多能流耦合運行研究*

李媛, 楊秀, 凌梓, 李莉華，張美霞, 劉舒

(1. 上海電力學院，上海 200090； 2. 國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437)

0 引 言

近來全球經濟社會迅猛發展，對能源使用效率的要求也日益劇增，在能源可持續發展政策及環境污染等問題的壓力之下，“能源互聯”的概念應運而生。其旨在打破傳統能源系統的結構局限，更大程度地促進電力、天然氣、熱力等能流的多能協同與互聯，從而更好的協調各類能源在未來社會中的發展地位，對提高能源利用效率、降低能源利用的成本與減少環境污染有重要意義。其中，綜合能源系統(Integrated Energy System，IES)[1]作為能源互聯網這一課題中最具代表性的“能源互聯”系統，是順應能源時代發展，確保人類社會能源安全的必經之路[2]。其有效解決了傳統能源系統中各類能源與能源系統之間相對獨立及耦合不緊的問題，從根本上變革了當前能源的生產和消費模式。

傳統的電力、熱力及天然氣等能源系統的建模方法已經相對成熟，有關多能源耦合的相關研究主要集中在電-氣的耦合分析方面。文獻[3-4]對電-氣耦合網絡進行建模并提出一種混合能流計算方法；文獻[5]提出了一種電-氣耦合系統的動態模型并以此研究了電-氣網絡之間的雙向互動；文獻[6]推導了適用于天然氣網能量流計算的有限元節點法，并提出CCHP供能率指標以反映微能源網電-氣的耦合程度。

瑞士某理工學院G.Andersson實驗組提出的能源集線器[7](Energy Hub，EH)作為綜合能源系統中的核心內容，對多能源網絡描述較為成功，近來相關研究也圍繞著EH逐步展開。文獻[8-9]提出了以 EH為核心的電/熱/氣混合最優潮流的分解算法；文獻[10]對兩類EH模型進行建模，給出完全解耦、部分耦合以及完全耦合 3 種運行模式，并提出適用的混合潮流算法；文獻[11]基于EH概念對多能源系統進行建模分析。對含多種能流的IES研究，國內外學者也進行了相關探索：文獻[12]將IES分為跨區級、區域級和用戶級，并對區域綜合能源系統(Integrated Community Energy System ，ICES)進行統一建模和能量流分析；文獻[13]考慮IES系統中電力系統并網和孤島2重運行模式，提出一種面向多能流的擴展牛頓-拉夫遜計算方法；文獻[14]采用牛頓法求解IES的穩態能量流方程，并采用蒙特卡羅模擬法求解其概率能量流，分析天然氣管網與電網不確定因素對彼此概率能量流的影響；文獻[15]探究了天然氣氣質改變、負荷調節與引入注氣點對ICES的影響。此外，文獻[16-17]在ICES的優化調度方面也展開了相應研究。

ICES中各個設備的耦合特性隨異質能流間耦合的不斷增強變得明顯而復雜。雖然現階段對ICES已有較為全面豐富的研究，但尚未對系統中不同季節下的建模與運行模式進行分析，忽略了負荷季節特性對系統耦合機制的影響。本文將用戶端冬夏負荷的季節特性考慮到ICES的能源集線器建模當中，提出一種適用于冬夏兩季的通用能源集線器，采用分解法[18]將然氣管網與電網的能流進行分別求解。旨在更加深入地探索多能流在能源集線器中的耦合機制，發揮多能協同作用達到能量最優分配，避免耦合帶來的不利影響。

1 電、氣、熱系統的耦合運行建模

1.1 通用能源集線器耦合關系的數學描述

區域綜合能源系統是一個集能源生產、轉換、存儲和消費的一體化系統，其能量流動走向包括三個環節，分別是天然氣與電力系統交互影響的能量傳輸環節、實行能源轉換及分配的能源集線器環節以及反饋用戶端負荷特性的終端環節。其中，實行能源轉換及分配的能源集線器環節是ICES的核心環節，它作為一個中間媒介，實時監控用戶端的負荷特性并作出與其相匹配的能源集線器響應，并在能源集線器內生成與負荷端相對應的能源輸入，同時制定出相應的能量分配計劃，其在綜合能源系統中起著一個承上啟下的關鍵作用。對于單個能源集線器，其內部相關元件之間的耦合關系可用耦合矩陣來描述，如式(1)所示。

(1)

式中矩陣L代表能源集線器輸出端的用戶負荷，其負荷類型包括冷負荷Lc、熱負荷Lh以及電負荷Le；矩陣C為耦合系數矩陣，其元素代表能源集線器內部耦合設備之間的耦合關系；矩陣P中的Pe,EH和Pg,EH分別為輸入能源集線器的電力和天然氣功率流。

根據用戶端負荷類型隨季節變換這一特性，本文針對冬夏兩個典型季節的負荷結構，提出一種適用于兩個典型季節的通用能源集線器模型，引入3個能量分配系數：天然氣調度因子ν、電氣分配系數λ和以熱制冷系數β。通用能源集線器結構如圖1所示。

圖1 通用能源集線器結構

(2)

在沒有冷負荷的冬季，燃氣轉換單元產生的熱能將全部用于滿足熱負荷，此時電氣轉換單元中的AC將只用于制熱。由于冬季沒有冷負荷，EH不對外供冷，耦合矩陣降為2維矩陣，如式(3)所示：

(3)

1.2 基于季節變換的運行模式分析

冬夏兩季負荷最明顯的差別在于其組成成分以及各成分的大?。合募緹嶝摵奢^小，主要負荷為冷負荷；冬季沒有冷負荷，熱負荷為主要負荷。以此圍繞燃氣輪機與鍋爐的額定容量建立通用能源集線器以熱定電(Following the Thermal Load，FTL)和以電定熱(Following the Electric Load，FEL)兩種運行模式：

(1)冬季熱負荷較大，空調只制熱，通用能源集線器運行在FTL模式。該模式下將燃氣鍋爐作為首選的產熱設備，其消耗的天然氣由熱負荷決定，燃氣輪機和空調作為備用熱源，外部電網作為備用電源。FTL模式下EH與系統交換的能量為：

Pg,EH=Pg,MT+Pg,GB

(4)

(5)

式中Pg,MT和Pg,GB分別為輸入燃氣輪機和燃氣鍋爐的天然氣；Pe,AC為輸入空調的電功率。EH內燃氣鍋爐、燃氣輪機和空調輸出的電功率分別為：

(6)

(7)

(8)

(9)

(2)夏季熱負荷較小，空調只制冷，通用能源集線器運行在FEL模式。該模式下燃氣輪機消耗的天然氣由電負荷決定，燃氣鍋爐作為備用熱源，空調和制冷機共同為用戶提供冷負荷。FEL模式下EH與系統交換的能量為：

Pg,EH=Pg,MT+Pg,GB

(10)

Pe,EH=Le+Pe,AC

(11)

EH內燃氣輪機、燃氣鍋爐和空調輸出的電功率分別為：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

2 區域綜合能源系統穩態計算

能源集線器作為連接天然氣管網與配電網的中間媒介，系統的異質能流在其內部相互交織并轉換成冷能、熱能和電能輸送到用戶端。而天然氣網絡和電氣網絡之間僅通過燃氣輪機相互耦合，故天然氣負荷流量分析和電力潮流計算可分別進行。

2.1 天然氣管網穩態計算

本文采用牛頓網孔-節點法[19]的天然氣管網流量分析法對管網中的天然氣流量進行計算。

(1)管道中的天然氣流穩態方程

天然氣管網由若干的管道經節點連接而成，在此將連接同一管道的兩側節點稱之為節點對，節點對的氣壓與管道流量之間的關系為：

(17)

(18)

式中fij為節點i通過管道到節點j的流量(m3/h)；pi為天然氣管網中節點i處的壓力；m為流量指數，取1.854；Kij為表征管道特性的管道常數；而Sij用于表征天然氣的流動方向：

(19)

根據Panhandle”A”公式[20]，表征管道特性的管道常數為：

(20)

式中為管道i到j的長度(m)；Ef為管道的效率系數，取0.92；Dij為節點ij之間的管道直徑(mm)。

(2)基于樹枝理論的流量模型

由管網的基爾霍夫第一定律[19]可知，任何一個節點的流量代數和為零。這意味著管網中任一節點處負荷等于流入流出該節點的支路流量之和，可用矩陣表示為：

(21)

式中L為天然氣管網中的燃氣負荷矢量；Ld為非電力燃氣需求矢量；Le為電力需求矢量；若支路氣流流入該節點，則f為正；反之則為負。A1為縮減的支路—節點關聯矩陣，其元素aik定義如下：

(22)

將天然氣管網中的管道分為樹枝l和共軛樹枝(也可稱為弦)c，若管道出口壓力已知，則該管道為弦，否則為樹枝。由此可將式(21)拆分為：

L=A1lfl+A1cfc

(23)

2.2 配電網三相不平衡潮流計算

實際工程中由于三相元件、線路參數或負荷不對稱，導致配電網中的三相電壓以及電流極易出現不平衡現象，故配電網中的潮流多為三相不平衡潮流。常規算法主要有基于導納矩陣或回路阻抗矩陣的算法(牛頓-拉夫遜(N-R))算法、電源疊加法和基于支路變量的潮流算法如支路電流回代法和支路功率前推回代法等。基于前推回代法[21]具有編程簡單、沒有復雜的矩陣運算、計算速度快、占用計算機的資源很少、收斂性好且適用于在實際配電網中的應用等特點，本文采用前推回代的輻射式計算方法對系統中的配電網潮流進行計算。

節點i的前推計算公式為：

(24)

節點i的回推計算公式為：

(25)

式中(rki+jxki)為支路ki上的阻抗。

3 算例分析

3.1 算例介紹

基于本文所提出的通用能源集線器模型，使用圖2所示的區域綜合系統仿真算例結構，它由6節點配電系統、5節點6管網系統以及一個通用能源集線器組成。其中，能源集線器分別與天然氣管網的節點5和配電網節點5相連，在此將兩個節點統稱為媒介點。系統中的天然氣管網與配電網通過能源集線器耦合，管網與配電網輸入的天然氣與電氣經能源集線器內部的三個產能單元分別轉換為冷、熱、電負荷輸送到用戶端。

圖2 區域綜合能源系統算例架構圖

天然氣管網中的節點1為氣源點，氣源點采用壓力控制，壓力恒定為60 bar，系統功率因素均設為0.85。燃氣輪機的額定功率為1 500 kW，燃氣鍋爐的額定供熱量為2 000 kW，制冷機額定制冷量為2 500 kW。

算例只考慮冬夏兩季在典型日的負荷情況，冬季沒有冷負荷，其供熱由空調、燃氣輪機以及燃氣鍋爐共同承擔，其中空調只制熱，故線路開關1、3打開，2閉合；夏季供冷由空調和制冷機共同承擔，其中空調只制冷，故線路開關1、3閉合，2打開。

3.2 EH能量關聯分析與系統能流動態

(1)EH能量關聯分析

由季節導致的負荷結構與類型差異對EH中的能流耦合存在多元影響，本文采用季節與運行方式匹配的方法將多元復雜的影響因子耦合，使系統在夏季運行于FEL模式，在冬季運行于FTL模式。由負荷側的功率需求經能源集線器內部運行方式響應即可得到在媒介點處能源集線器與配電網及天然氣管網的能量交互值，如圖3、圖4所示。

計算結果顯示，EH在冬夏與配電網交互的電功率同兩季的電負荷曲線基本一致，其與天然氣管網在冬夏的能量交互值則分別同冬季熱負荷、夏季電負荷保持一致。通過將影響EH能量交互值的各類因素耦合到季節和運行方式中的計算結果，我們可做出以下推測：在夏季，EH的能耗量主要依賴于電負荷；在冬季，EH的電耗量依賴于電負荷，天然氣耗量依賴于熱負荷。

圖4 EH與天然氣網交互的天然氣功率

為了進一步探究負荷側與EH能量交互側的關系，對二者進行相關性分析，其數學表達式為：

(26)

對算例中用戶側與EH側進行相關性計算，分別探索不同季節與運行方式下負荷與EH交互值的相關性，其結果如表1所示。

表1 ICES用戶側負荷與EH媒介點的相關性分析

可見，夏季FEL模式下配電網媒介點輸入EH的電功率與冷負荷相關性最高，這意味著燃氣輪機輸出的電能在夏季基本能夠滿足居民區電負荷，此時輸入EH的電功率主要用于空調制冷；而管網媒介點輸入EH的天然氣與電負荷相關性最高，反應了該模式下燃氣輪機將電負荷與天然氣直接耦合的特性。冬季FTL模式下媒介點輸入EH的電功率與電負荷相關性最高，表明冬季在燃氣轉換單元產生的熱能基本能夠滿足居民區熱負荷，此時通過空調的補熱量較少；而媒介點輸入EH的天然氣與熱水負荷相關性最高，其間接反映該模式下燃氣轉換單元主要用于供熱水負荷Lw，其余熱負荷Ld在燃氣轉換單元產熱不足的前提下才會啟用空調制熱。

(2)系統能流動態

運用MATLAB程序及其Simulink仿真平臺對系統中的能流進行計算，可得到冬夏兩季典型日下配電網各節點的三相電壓、線路功率與天然氣管網各個節點的壓強、支路流量在24 h內的變化情況。為比較運行方式與負荷季節特性耦合的優勢，對相同季節不同運行方式下的計算結果進行對比。圖5～圖8分別顯示了冬夏兩季的配電網電壓以及管網氣壓在典型日內不同運行方式下的波動情況。

圖5 夏季典型日配電網的電壓波動

圖6 冬季典型日配電網的電壓波動

圖7 夏季典型日天然氣管網的氣壓波動

圖8 冬季典型日天然氣管網的氣壓波動

由配電網在相同季節不同運行模式下的電壓計算結果可知，夏季FEL模式下的電壓幅值波動相較FTL模式更為平緩。冬季受熱負荷的影響，FTL模式下的電壓幅值的最大波動值與平均波動值都較FEL模式大，但其平均波動占比要優于FEL模式。由此可知夏季采用FEL模式、冬季采用FTL模式的匹配方式有益于抑制配電網側的電壓波動。天然氣管網側的氣壓在節點方向均呈現波浪式走向，其在不同運行方式上的波動差異主要體現在冬季。從圖8可看出，冬季FEL的模式在0時刻附近能夠較好的抑制氣壓波動，而FTL模式則能夠在用氣高峰時段保持管網各節點氣壓的小幅波動。

3.3 ICES系統中的能量分配

基于夏季FEL模式、冬季FTL模式的匹配方式，可得到兩季典型日下24小時的能量分配計劃，如圖9所示。

圖9 冬夏典型日的能量分配計劃

圖中，夏季典型日的凌晨和傍晚時段電氣分配系數λ恒為1，這意味著輸入到EH內部的電能全部被分配到AC用于制冷。隨著用電高峰的到來，MT不足以提供足夠的電能，此時輸入EH的電能主要用于克服用電高峰，故λ迅速下降至0.3。天然氣調度因子ν的趨勢和λ相似，在熱、電負荷低谷時段MT的輸出足以提供熱、電負荷，此時GB停運，天然氣全部輸入到MT。當熱負荷高峰來臨，GB作為熱用產熱補充MT不能滿足的熱負荷，故ν下降。而制冷系數β代表燃氣轉換單元中產生的熱能輸入到AR制冷的比例，故冷負荷和熱負荷共同決定了制冷系數的大小。β曲線下凹表示此時的冷熱負荷相對差距減小，當冷負荷遠大于熱負荷時，燃氣轉換單元的制冷出力上升，β曲線便呈現上凸趨勢。冬季典型日由于少了制冷環節，EH內部設備與負荷之間的耦合關系大大簡化，其能量分配系數走向與負荷曲線基本一致。

圖10 冬夏典型日能量分配檢驗

為了檢驗該能量分配計劃的合理性，將得到的能量分配系數帶入EH耦合矩陣，對其進行產能檢驗。圖10顯示了其檢驗結果，結果表明除了在夏季的早晨及傍晚時段存在部分冷能和熱能浪費，其余時刻的產能量與兩季居民區負荷保持基本重疊，故該能量分配計劃在保證不浪費能源的情況下，能夠滿足典型日內24小時的居民區負荷。

4 結束語

為了深入探究ICES中多能流的耦合關系，本文將夏季冷負荷與熱負荷分開考慮，構建了一個適用于冬夏兩季的通用能源集線器模型，并基于負荷的季節特性匹配EH運行模式。算例表明該模型及計算方法可用于分析ICES中不同能流的耦合程度，所提出的考慮季節負荷特性的多能流運行模式能夠為ICES制定出一份合理的能量分配計劃。

本文主要針對冬夏兩季典型日的負荷特性制定運行模式及能量分配，未來將進一步研究包含儲能的耦合計算及在此基礎上的系統優化，以尋找ICES的最佳能量分配計劃，使得EH在完全滿足負荷的前提下達到最低能耗。