能源互联网中的综合能源系统研究

张 巍, 董昕昕, 孙伟卿, 吴俊宏

(1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093;2.华东电力设计院有限公司，上海 200001)

能源互联网中的综合能源系统研究

张 巍1, 董昕昕1, 孙伟卿1, 吴俊宏2

(1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093;2.华东电力设计院有限公司，上海 200001)

综合能源系统作为能源互联网的主要组成部分，实现了多种能源形式的转换以及多种能源网络的互联互通，是未来的重点研究方向之一。针对能源互联网背景下的综合能源系统，介绍了国外发展综合能源系统的实例。以能源形式以及能源输送网络的网架模块性为基础定义了能源互联网的概念，并对综合能源系统的研究现状进行了阐述。详细描述了应用于能源互联网的综合能源系统的概念，并从系统架构特性、清洁性以及互动性等方面总结了综合能源系统的特点。详述了现有的主要模型以及以系统复杂度划分的两类综合能源系统模型，即基于能源转换效率的模型以及基于储能、能源转换和负荷一体化的模型。最后对综合能源系统的研究方向以及未来的研究重点进行了展望和分析。

电力； 综合能源系统； 清洁能源； 互联网； 协调控制； 储能； 分布式能源

0 引言

在全球性能源危机以及环境污染的背景下，大力发展可再生清洁能源已成为推进社会转型及能源产业发展的必然趋势。能源互联网是能源和互联网思维[1-2]深度融合的结果，旨在提高能源利用率，并降低对传统能源的依赖，转变能源生产方式及消费模式。而综合能源系统(integrated energy system,IES)作为一种新型能源一体化的开放型系统，是能源互联网的主要载体。能源集线器是IES的集成表现形式，不同文献中提到的能源路由、多载能体、能源枢纽等均为同一概念[2-5]。

目前，IES已成为各国能源行业大融合的入口，各国都在能源互联网的背景下大力发展IES[3-5]。美国在2001年提出了IES发展计划，旨在对分布式能源(distributed energy resources,DER)和热电联产(combined heating and power，CHP)技术进行推广。加拿大预计到2050年建设社区级综合能源系统，以实现节能减排。日本针对构建综合能源系统开展了广泛研究，如日本新能源产业的技术综合开发机构开展的智能社区和智能微网研究、Tokyo Gas的综合能源网研究等。

为促进未来能源的可持续供应，目前各界学者先后开展了与IES技术相关的研究。文献[3]对IES及能源互联网两个领域的经典研究进行了阐述。文献[4]介绍了IES在欧洲的发展现状。文献[5]总结了区域综合能源系统的通用建模及规划理论，以及国内发展现状。文献[6]融合能源系统和信息系统，提出了综合配电系统的概念，并探讨了规划设计思路。上述文献主要概括分析了IES的发展现状以及规划思路，但并未从建模的角度作具体讨论。

本文从IES的概念出发，总结了IES内部的耦合关系及功能特点。同时，根据系统复杂程度划分了两种IES模型，并对IES未来的研究方向进行了展望。

1 IES的概念

IES作为新一代能源系统，是源、网、荷深度融合、紧密互动的集成化能源系统[7-15]，一般由以下几部分组成：供能网络单元(如供电、供气、供冷、供热等网络)，能源交换单元(如冷热电联产机组、发电机组、锅炉、空调、热泵等)，能源存储单元(如储电、储气、储热、储冷等)，终端综合能源供给单元(如微网)和终端用户。IES组成结构如图1所示。

图1 IES结构图

IES的各级子系统之间存在多重耦合关系，能源集线器作为IES的功能性集成，更为形象地体现了能源间的耦合关系，使得各类能源之间可以互联、互通以及互补。各能源之间耦合关系如表1所示[4-5,15-16]，表中所述能源均为可储能源。

IES具有以下特点。

①灵活性。IES根据不同能源的特性，通过增强多能源之间的互补、提升能源传输及转换效率，以提高整个系统的灵活性。当某类能源供给因故障中断时，系统可利用其他能源实现连续供能。时间尺度上，不同能源形式的运行时间有快有慢，且能源供应存在惯性，系统启停时间存在延迟，IES可在时间及能源获取的难易程度上进行互补，形成良性互动。

表1 各能源之间耦合关系

②可扩展性。以模块式划分的IES可根据各适用区域面积，形成单独的IES或多个IES联合供应，多个IES之间可实现互联，对于各类供能网络、能源交换及存储模块有较强的适应性及融合度，以满足更大规模的用户需求。

③高度集成性。IES内部网络化的集成中具有不同分工，可实现能量的产生、传输、转换、存储、使用等多种功能，所集成的互联物理系统实现了各产业及用户之间的深度融合。

④低碳性。随着传统化石能源的逐步枯竭以及新能源技术的兴起，IES源侧利用清洁能源代替传统的煤炭能源，以塑造有利于节能低碳的城市空间环境为目标，从源头上控制碳排放量。

⑤多能源协调控制。多能源之间的协调控制可极大地提高系统的安全性，使各级子系统在技术性与经济性最优的状态下运行，并可在发生事故时及时制定有效措施。

⑥有利于“电能替代”。相比其他能源形式，电能具有清洁、安全、便捷等优势，实施电能替代对于推动能源消费革命、落实国家能源战略、促进能源清洁化发展具有重大意义。多种能源与电力系统的高度融合，可以进一步加快“电能替代”的推广和发展。

2 IES的数学模型

IES的数学模型一般需依据具体系统特点，对各类设备进行模块化的模型构造。文献[10]以节点为基础构建融合系统节点及转换单元的模型。文献[11]根据能源系统输入输出关系，构建了集能源传输、转换以及存储于一体的集成系统模型。文献[12]基于全能流模型思想，构建了区域多能源系统。文献[16]提出了一种根据各分级模块自下而上的多能源综合模型。根据各能源及转换设备的特性，进行数学建模。依据实际情况，可从简处理或详细建模。根据模型的复杂度，IES模型可分为两类。

①基于能源转换效率的IES模型[10-16]。

能源传输、转换及存储过程存在一定能耗损失，此类模型用效率函数描述转换过程的损耗，并以此获得输入输出接口的函数关系，可表述为：

L=CP

(1)

式中：L和P分别为以矩阵形式表示的输出与输入能量，包含电能、热能、燃气能以及其他各类形式能量；C为输入输出关系的耦合系数矩阵，其由中转设备的效率以及能量分配比例决定。

多能源系统输入输出模型如图2所示。

图2 多能源系统输入输出模型

这类模型的优点是模型较为简化，方便相关数据的计算，并可根据具体情况进行相应调整。其缺点在于仅用效率函数描述转化过程缺乏实际数据的支撑，结构类型过于简单，无法确保切实可行，同时不适用于对动态系统的模拟。

②基于储能、能源转换、负荷一体化的IES模型[13-15]。

储能设备除去广义上的储电，还包括储热、储气、储氢等多能源形式的储存，同时交通网的融入使得电动汽车亦可作为储能单元参与协调系统运行。这类模型将传统的、可体现系统单一截面特性的模型加以扩展，形成考虑系统动态特性的实用型模型，接口输入输出关系可描述为：

(2)

式中：C为能源转换环节;S为储能单元;E为能源存储量。

动态综合能源系统输入输出模型如图3所示。

图3 动态综合能源系统输入输出模型

此类模型详细描述了各能源之间的转换关系，可考虑到系统的动态特性，并可根据需求侧响应实现负荷侧的转移和消减，具有较强的实用性。但由于各能源之间的耦合性强，使用该模型求解综合能量流及最优化相关问题时，非线性度较高，不易求解。在现有IES相关技术不明确的情况下，很难建立一个准确的动态模型，因此该技术还有待进一步的完善和发展。

此外，一些文献考虑了新的因素，提出了新的IES建模方式，如文献[13]将小型分布式发电系统及虚拟电厂融入多能源系统，构建了相关模型;文献[16]基于能源枢纽的概念将产品生产及废弃物排放融入到了能源系统中，构建了集成能源、经济及环境的互动性综合枢纽。

3 综合能源系统的研究方向

能源互联网是IES出现的大前提。IES使得能源互联网中各能源之间的联系更加紧密，但同时带来了不少新的问题，未来应重点关注的研究趋势如下。

①考虑系统动态和多种能源的特性，进行IES数学建模。考虑能源转换与传输的动态变化规律及各类负荷的变化特性，并利用各能源自身的特性，实现能源之间的相互补充。例如：考虑到电能易传输、难存储，而热能则易存储、难传输的特点，加入储热和电热转换单元，可实现热电之间的互补。

②开展潮流计算和其他电力系统计算[17-22]。传统的潮流计算仅用于电力系统，多能源综合系统则需考虑混合能量流的计算。根据不同运行模式，以及各能源网络之间的耦合关系，可对以往的统一求解方式以及顺序求解法作出改进，实现IES的并行求解，快速准确地求解相关潮流问题。同时，在多能源系统的背景下，可仿照电力系统的计算方法进行求解计算。

③考虑时间尺度问题。各种能源自身的时间尺度不一致，如电能是瞬时的，气是需要时间传输的，需考虑能源转换、传输、存储等时间，以此更准确地描述整个系统变化特性。

④考虑综合系统的不确定性[23-24]。在多能源协同运作下，系统随机性和互动性增强，系统状态更加复杂多变，不确定因素更加多样。如何评估各类不确定因素对综合系统的影响，是预测系统安全性和可靠性至关重要的问题。未来的系统模型应考虑输入、传输、转换等部分的不确定性，更加全面地描述系统特性。

⑤建立市场化模型。在遵循能源互联网宗旨的前提下，各能源运营商以及用户之间需建立协调双方的运营交易机制，既可满足用户侧需求，又可结合各类能源的分时价格，实现低价购买。

⑥多综合能源系统的协调控制。不同能源形式在不同应用场合承担不同的角色，对这种复杂系统的管理与控制尤为重要，需依据各能源系统最优运行方式来实现各能源利用率的最大化，以及各子系统的协同运作。

4 结束语

在能源互联网的背景下，各类能源不再是相互独立的个体，能源体间存在越来越复杂的联系，IES作为能源互联、互动以及互通的桥梁，是未来研究的重点。

本文从能源互联网的概念出发，对综合能源系统的研究状况进行了阐述。由于现有对IES的研究中较少考虑各能源网络间的耦合关系，故本文详细描述了IES之间多重耦合的关系以及系统特点，未来研究可侧重于网络接口处的特性研究。通过总结现有文献中的主流模型，对其进行数理整合并提出了基于系统复杂程度的模型结构。最后，对综合能源系统的研究方向进行了展望，大力发展综合能源系统可解决目前功能系统安全性低、自愈能力差、设备利用率低等一系列问题，未来可针对多能源系统特性、综合潮流计算、考虑系统时间尺度问题、综合系统不确定性、市场化系统以及综合系统协调控制策略等六个方面进行相关研究。

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Research on the Integrated Energy System in Energy Internet

ZHANG Wei1， DONG Xinxin1， SUN Weiqing1， WU Junhong2

(1.School of Optical Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093，China; 2.East China Electric Power Design Institute Co.,Ltd., Shanghai 200001,China)

As a major part of energy interconnection,integrated energy system realizes a variety of forms of energy conversion and a variety of energy network interconnection,and it is one of the key research directions in the future.Aiming at the integrated energy system under the background of energy internet,examples of developing integrated energy system in foreign countries are introduced.Based on the form of energy and the grid modularity of energy transportation network,the concept of energy interconnection is defined,and the research status of integrated energy system is reviewed.The concepts of integrated energy systems applied to energy interconnection are described in detail.The characteristics of the integrated energy system from the aspects of system architecture,cleanliness and interaction are summarized.The existing main models,the model of two kinds of integrated energy system,which is divided by system complexity，and models based on energy conversion efficiency and based on energy storage-energy transfer-load integration are described in detail.Finally,the research directions and the future research emphasis of integrated energy system are prospected and analyzed.

Electricity; Integrated energy system(IES); Clean energy; Internet; Coordinate control; Energy storage; Distributed energy resources(DER)

张巍(1983—)，男，博士,讲师，主要从事能源互联网、电力系统规划与优化运行方向的研究。E-mail:24482427@qq.com。

TM727;TH-39

A

10686/j.cnki.issn 1000-0380.201701003

修改稿收到日期：2016-11-22