基于電力和燃氣互補控制的綜合能源系統控制方法研究

史 偉，陸懷谷，周 珊，呂志鵬，余 濤，史 超，劉文龍，劉 夢

（1.國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213004；2.國網上海能源互聯網研究院有限公司，上海 201210）

0 引言

在能源危機和環境惡化的雙重壓力下，全球大力發展可再生能源、多能源系統互聯和能源市場建設，使用戶側資源參與市場交易的意愿更強，以電能為主的綜合能源交易迅速發展，從傳統能源服務到綜合能源服務的轉型成為能源企業關注的焦點。

綜合能源系統由電力系統、熱力系統、天然氣系統、可再生能源發電系統耦合與互聯構成，以電力系統為核心，與熱力、燃氣系統高度耦合?？梢猿浞掷枚喾N類型能源（風、光、天然氣等）的時空耦合特性（能源耦合緊密）和互補替代性（互補互濟，多能互補轉換），通過對電、氣、冷、熱等多種能量進行多維度的轉換、分配與有機協調管理，達到各類能源綜合利用、供需互動、高效運行。目前普遍認為綜合能源系統是能源互聯網的物理載體，因此綜合能源系統已成為國際上能源領域未來重要的戰略方向。

在相關研究中，文獻[1-3]基于情景樹結構建立隨機經濟模型預測控制，基于柔性負荷響應構建多時間尺度綜合能源系統優化調度模型，實現綜合柔性負荷、熱電聯產機組和風電的協調優化，降低優化過程中風電隨機性的干擾；文獻[4-5]基于電熱混合儲能系統研究，實現多能源微電網自主控制能力的提升；文獻[6-7]針對考慮電-熱耦合特性的能源局域網進行分層分布式的協同優化控制，實現多能源協調互補和深度融合；文獻[8-9]基于熱慣性不確定性的多能源系統魯棒優化調度模型，實現多能源系統協調優化；文獻[9-11]根據能源設備效率隨負載率變化的特征，建立用能設備動態能效模型，實現各類型能源間的經濟協同優化和梯級利用；文獻[12-13]建立考慮電熱聯合需求響應的綜合能源系統日前和日內優化調度模型，解決區域綜合能源系統多目標雙層優化調度問題；文獻[14-17]搭建了包括電-氣-冷-熱-蒸汽網絡模型庫的綜合能源在線仿真系統，并通過多能流綜合能量管理系統，實現多能互補和源網荷儲協同條件下的優化調度和安全運行，基于熱力子系統的熱慣性和多能互濟進行綜合能源系統經濟性、可靠性評估。

1 分布式綜合能源系統

1.1 系統概述

分布式綜合能源系統是一種靠近用戶側的微型綜合能源互聯系統，系統關注分布式能源終端及其耦合關聯，通過多種能源轉換、存儲、互補、替代的能量協調優化運行，實現當地資源的高效利用。

分布式綜合能源系統的拓撲靈活、潮流可控，其能量優化管理對能源互聯網的發展具有重要意義。但目前的分布式綜合能源系統耦合性和集成度較低，且對用戶側冷、熱、電需求變化的感知和反饋能力較差。由于供電、供氣、供冷/熱的綜合能源系統，其各類負荷需求存在明顯峰谷交錯現象，如果各供能系統只按各自高峰負荷設計，會造成設備利用率低下并加大供能系統維護費用，因此可通過不同能源系統之間的有機協調與密切配合，實現各類能源負載的移峰填谷，提高能源供應系統設備的整體利用率水平。

本文研究的分布式綜合能源系統的能源供應設備主要包括：光伏及電儲能設備、微燃機及余熱回收系統、空氣源/地源熱泵與中央空調系統、電熱鍋爐等電加熱設備。上述分布式綜合能源系統同時連接電網，進行電能、冷/熱能的存儲，為用戶提供電能、空調冷/熱能、生活熱水等能源的供應。分布式綜合能源系統主要應用于微燃機及余熱回收系統，其提供的熱能對系統中已有的熱泵、電鍋爐設備產生的熱能具有互補替代作用。

1.2 系統模型及工作原理

典型的電氣、燃氣和熱力分布式綜合能源系統如圖1 所示。其中，電鍋爐、微燃機及余熱回收系統均存在慣量延時，下面對其模型進行詳細分析。

圖1 典型的電氣、燃氣和熱力綜合能源系統交互示意圖

電熱鍋爐的熱過程控制系統主要是由鍋爐與三相交流調壓模塊組成，調壓模塊通過改變電加熱絲兩端的電壓，從而向鍋爐內的水傳遞能量。其能量的傳遞過程首先是電流與它所要調節的電壓的關系，近似可看作是比例關系；其次是電壓與功率的關系，兩者之間是非線性的關系；再次是鍋爐內膽與鍋爐外層散熱的關系。電熱鍋爐的能量傳遞示意圖如圖2 所示。

圖2 電熱鍋爐能量傳遞示意圖

整個系統的能量，一部分被鍋爐內膽吸收，提高了鍋爐內膽的水溫，另一部分被鍋爐內膽的外層所散發。設鍋爐所獲得的總能量是鍋爐內膽所獲取能量與鍋爐外層散發能量的總和。根據能量守恒定律有：

式中：W 為鍋爐所獲得的總能量；W1為鍋爐內膽所獲得的總能量；W2為鍋爐外層散發的能量。

由熱力學定理可知：

式中：C1為水的熱容量；T1為鍋爐內膽水的溫度；k1為鍋爐內膽的散熱系數。

對式（2）進行求拉氏變換并移相可得：

根據以上對電熱鍋爐內膽模型的物理機理分析，可以得出如式（4）所示的電熱鍋爐內膽的傳遞函數。由于傳熱過程是一個較為復雜的過程，存在較大的容積時延，因此在考慮電熱鍋爐內膽的傳遞函數時，應該考慮純時滯過程。

電熱鍋爐內膽的傳遞函數應該表示為：

由式（4）所示電熱鍋爐模型的傳遞函數可知，電熱鍋爐是一個大慣量一階慣性加延遲環節，其響應時間較長，延遲時間達到10 min 以上，其動態響應特性如圖3 所示。

圖3 電熱鍋爐系統單位階躍響應

冷熱電聯供系統由動力裝置、供熱裝置和制冷裝置組成，為用戶提供電、冷、熱等不同品類的能源供應，實現能源的梯級利用。天然氣在原動機中燃燒輸出電能，利用廢氣或廢水余熱回收供熱，利用吸收式/電制冷機制冷，并經常配備蓄能設備為輔助設備。

本文以微燃機及余熱回收系統為例，微燃機控制直流母線電壓傳遞函數如圖4 所示。

圖4 微燃機能量傳遞示意圖

式中：Gmt（s）為微燃機閉環傳遞函數；為微燃機等效慣性環節；G4（s）為外環PI 環節；Giac（s）為微燃機電流內環等效延遲環節；G5（s）為微燃機變換器增益，其中m 為調制比，通常取1。

進而得到微燃機閉環傳遞函數Gmt（s）為：

通過單位階躍信號模擬負載突變，可以得到微燃機動態響應特性如圖5 所示。微燃機響應延遲時間為10 s 左右。

圖5 微燃機單位階躍響應

圖6 為電力、燃氣、熱力典型綜合能源系統能量流動圖。該綜合能源系統連接電網，能夠提供交、直流的電能供應和生活熱水、空調冷/熱負荷供應。該系統包含光伏、微燃機等主要電能生產設備，包含熱泵、電輔熱、微燃機余熱回收系統等熱能生產設備，以及電池儲能、熱儲能等主要儲能設備。

根據圖6 所示系統中能量的流動關系，建立電母線、煙氣母線、熱母線、冷母線的功率平衡約束，具體如式（7）—（10）所示。

圖6 多能源要素分布式綜合能源系統能量流動圖

1）電母線功率平衡約束。

式中：Pgrid為電網側輸入功率；Pmt為微燃機發電功率；Ppv為光伏發電功率；Pwt為風機發電功率；LE為電負荷功率；PAC1為冰蓄冷主機的電功率；Php為熱泵的電功率；Peb為電鍋爐等電加熱設備的電功率；PES，C和PES，D分別為電儲能的充、放電功率；分別為制冷主機制冰、制冷時的電功率。

2）煙氣母線熱功率平衡約束。

式中：QCHP，smoke為熱電聯供機組回收的煙氣熱功率；QHRSG，smoke和QHX，smoke分別為余熱鍋爐回收裝置、煙氣換熱器吸收的煙氣的熱功率。

3）熱母線功率平衡約束。

4）冷母線功率平衡約束。

基于設備準穩態模型建立的能量功率平衡約束條件，實現對綜合能源系統內部的能流轉換過程及供需平衡的描述。

1.3 電力和燃氣的慣量互補控制策略

本文所涉及的燃氣系統、熱力系統均具備較大的慣性，具有快動態特性的電力系統與具有慢動態特性的燃氣系統、熱力系統通過電熱耦合、氣電耦合、氣熱耦合實現緊密結合和互補替代。

在電力和燃氣的慣量互補工況下，當儲能電池SOC（荷電狀態）受直流側功率影響發生變化時，微燃機根據電池的SOC 波動調整其輸出功率，直至匹配直流側功率缺額，同時給儲能電池進行充電，使電池的SOC 維持恒定。電力和燃氣的慣量互補控制策略利用儲能電池小慣量特性，使儲能電池快速響應直流側功率突變的短時功率缺額，微燃機則根據電池SOC 緩慢調整其出力，直至完全匹配直流側功率缺額并維持電池SOC 恒定。

2 分布式綜合能源系統典型工作模式

2.1 分布式綜合能源系統硬件結構

分布式綜合能源系統中單能流簡單組合、單獨控制的系統能源利用效率差，對于存在熱力和燃氣耦合系統調節不靈活，設備頻繁運行于非額定工作點，基于電力和燃氣慣量分析的分布式綜合能源控制方法，能夠充分發揮電能靈活樞紐、高速控制的性能，通過智慧物聯終端設備的分布式邊緣計算實現快速控制，有助于分布式綜合能源系統在控制時間尺度和精細化程度上的提高。

圖7 所示為一個多能源要素分布式綜合能源系統典型結構。該分布式綜合能源系統總裝機容量135 kW，其中包括：120 kW 的電網供電，1臺有余熱回收系統的60 kW 微燃機，1 臺峰值功率為30 kW 的光伏陣列，30 kW、60 kWh 儲能電池組，60 kW 電熱鍋爐（包括11.5 kW 低溫冷暖機組和12.14 kW 熱水機的空氣源熱泵，1.5 t 的儲熱水箱）。系統中負載每小時最大用電量為150 kW。

圖7 多能源要素分布式綜合能源系統典型結構

圖中AC（交流）端口1 通過變比為10 kV/0.4 kV 的變壓器與分布式綜合能源系統相連，AC 端口2 與微燃機及余熱回收系統相連，AC 端口3與AC 電能負載相連，AC 端口4 與熱泵及電加熱設備相連。DC（直流）端口1 與儲能電池相連，DC 端口2 與光伏陣列相連，DC 端口3 與DC 電能負載相連。

2.2 分布式綜合能源系統控制方法

本文的分布式綜合能源系統采用基于電力和燃氣慣量分析的互補控制策略，該控制策略在分布式綜合能源系統整體控制策略的基礎上，通過對設備運行信息、各電氣量測及環境參數的實時采集、分析，形成可下發的控制指令并發送至終端設備及各執行單元。利用電能系統小慣性快速、高效運行的特點，和燃氣能、熱能系統大慣性連續運行經濟性的優勢，快速滿足用戶側能源供應的需求，并實現以電補氣。基于電力和燃氣慣量互補控制的分布式綜合能源系統控制流程如圖8 所示。

圖8 中，Pgrid為交流端口1 電網電能使用的功率，Pmt為交流端口2 微燃機的發電功率，ηmth為微燃機余熱回收系統產生熱量的效率，Pac為交流端口3 交流電能負載的用電功率，Pdc為直流端口3 直流電能負載的用電功率。Pac為系統輸出的實時電負荷功率，因此LE=Pac+Pdc；Pph和Peh分別為交流端口4 熱泵、電加熱設備消耗電能的功率，ηph和ηeh分別為系統中熱泵、電加熱設備產生的熱的效率，Pb為直流端口1 儲能電池發出的功率，Ppv為直流端口2 光伏陣列發電功率，PHL為系統產生的實時熱負荷功率，因此PHL=ηmth·Pmt+ηph·Pph。LEf為系統供應電負荷的實時預測功率，Phwf為系統供應熱水負荷的實時預測功率，Phaf為系統供應空調熱負荷的實時預測功率，Phsf為系統儲熱的實時預測功率，LEf，Phwf，Phaf和Phsf分別為通過采集數據對日內電負荷、生活熱水負荷、空調熱負荷、儲熱功率預測值進行校正后的實時功率預測值。

圖8 基于電力和燃氣慣量互補控制的分布式綜合能源系統控制流程

通過電力和燃氣的慣量互補控制策略，在響應階段前期利用電能迅速啟動電熱鍋爐等電加熱設備，快速響應電、熱負荷的需求，并在經驗時間t 后啟動微燃機，按照一定功率分配比例進行電加熱設備和微燃機的控制，實現對系統電、熱負荷的補充。該控制方法利用電力系統小慣量特點，和微燃機、余熱回收系統大慣量的特點，優先滿足用戶側電能、熱能供應，通過微燃機發電和余熱回收實現電能、熱能的高效互補供應。

若系統電負荷、熱負荷的實時需求大于光伏的輸出，小于光伏、儲能電池、電網當前狀態下的總輸出功率，可分以下幾種情況分析判斷：

1）系統中只有電負荷，且電負荷大于光伏輸出功率時，執行電池放電相關指令。

2）當系統中同時有電負荷和熱負荷，且電負荷小于光伏輸出功率時，執行啟動電加熱設備（包括熱泵、電輔熱設備）相關指令。

3）當系統中同時有電負荷和熱負荷，且電負荷大于光伏輸出功率，則執行按照一定的時間間隔和功率分配比例，啟動儲能設備和電加熱或微燃機設備相關指令。

4）若系統電負荷、熱負荷的實時需求大于光伏、儲能電池、電網當前狀態下的總輸出功率，則同時啟動微燃機和儲能電池放電運行，其中，電池放電相關指令執行，包括對電網負荷高峰時段的判斷，電網非負荷高峰優先使用電網的電能，電網負荷高峰時段，根據儲能系統的電量情況執行放電指令。

儲能設備、電加熱設備、微燃機設備的啟動，根據以下分析判斷：在電網負荷低谷時段，則只啟動電加熱設備，不啟動微燃機設備。在電網高峰時段，先啟動電加熱設備，延遲時間t 后啟動微燃機設備，且判斷系統的電、熱負荷需求功率大小，當電、熱負荷需求功率較大時，電加熱設備優先利用儲能系統放電提供；當電、熱負荷需求功率較小時，電加熱設備優先利用電網供電。微燃機啟動后，按照電加熱設備、微燃機設備功率分配比例λeh和λmt進行控制，其中λeh+λmt=1，兩設備的電、熱功率之和等于系統電、熱負荷需求，其中微燃機按照額定功率運行，逐漸減小電加熱設備的運行功率。

3 實驗結果

設計氣電分時價格工況和多元負荷波動等工況，進行基于電力和燃氣的慣量互補控制的分布式綜合能源系統仿真研究。

為驗證電力和燃氣的慣量互補控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink 平臺下搭建分布式綜合能源系統仿真模型，其仿真參數如表1 所示。由于仿真時間尺度較長，為方便驗證，適當減小微燃機慣量特性與電池容量。

表1 分布式綜合能源系統仿真參數

如圖9 所示，0 s 前綜合能源系統的電池處于充電工況，儲能電池SOC>60%，微燃機未工作；0 s 時電能負載突增，導致Ppv+Pmt_maxPlack，微燃機在提供直流側功率缺額Plack的同時給儲能電池充電直至其SOC 穩定至60%。

圖9 電池充電切換電力和燃氣慣量互補工況波形

在以上運行工況中，儲能電池經放電至SOC降到參考值以下，此時微燃機開始啟動，最終微燃機出力補償系統功率缺額與電池釋放的能量。在負載功率出現缺額時，系統直流母線電壓有小幅突升，系統整體可以保持穩定運行。

如圖10 所示，在0-10 s，Ppv+Pmt_max>Pac+Pdc，且SOC≥30%，系統運行在電力和燃氣的慣量互補工況。

圖10 負荷突增波形

在電力和燃氣的慣量互補下，可將光伏出力的增減與電、熱負載耗電量的增減都以功率缺額Plack的變化進行體現。當出現功率缺額時，綜合能源系統根據分析確定系統內微燃機、電加熱等設備的運行及功率分配，實現功率缺額的快速匹配分析和能源設備的精細化管控?；陔娏腿細獾膽T量互補控制系統整體可保持穩定運行，并均具有較好的工作性能。

4 結語

本文研究的分布式綜合能源系統通過電、氣、熱等多種能源系統的耦合，充分利用電能靈活樞紐、高速控制的性能特點，快速滿足用戶側能源供應，并實現以電補氣，既能發揮燃氣、熱能等大慣性系統連續運行的經濟性優勢，又能利用電能小慣性系統快速、高效運行的優勢，實現對用戶需求和電網狀態的快速響應，滿足分布式綜合能源系統精細、實時的控制需求。