能源互联网背景下的多能源输送网络联合建模

董昕昕, 孙伟卿, 张 巍, 李海英

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

能源互联网背景下的多能源输送网络联合建模

董昕昕, 孙伟卿, 张 巍, 李海英

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

构建多元多向的能源输送网络、建设清洁能源供应基地，能够提升能源的利用效率，降低能源供应成本，是支撑能源互联网发展的基础和前提。多类型网络的整合与互联，打破了不同类型能源之间的“隔离性”，使得各类能源输送网络发展呈现相互依托、相互促进的关系。电力网络与天然气网络作为两大发展成熟的网络，其网络特性以及网络耦合形式值得深入研究探讨。介绍了以电-气联合系统为主的能源输送网的研究现状，总结了不同能源的传输形式以及多种能源输送网络之间的耦合关系，着重分析了电力网络与天然气网络之间的耦合方式，并综合分析了计及不确定性和相关性的多能源输送网络的研究方法。最后，就电-气联合系统的数学模型及实现方式进行论述，并对未来的研究方向以及研究侧重点进行了展望。

可再生能源； 清洁能源； 电力； 输送； 互联网； 网络模型

0 引言

能源作为供给人类生产、生活的能量源，对其利用方式与使用类型的工业革新从未停息。传统能源的匮乏及其不可再生性，限制了当今的工业与经济发展，利用传统能源产生的环境污染问题同样使得人类社会面临巨大威胁。在此背景下提出的能源互联网[1-3]，旨在将清洁的可再生能源替代传统能源，并融合互联网框架作为能源互联、互通以及互补的实现形式，从而达到能源利用效率最大化，以促进能源生产和消费模式的改变。

能源输送作为实现能源互联的前提，是目前主要关注的热点问题之一。文献[4]针对电力网络与天然气网络，运用概率统计学对输送的能量流进行分析，并同时考虑两网间的不确定性对系统的影响。文献[5]基于所提出的电-气混合综合动态模型，研究了电-气两网之间能源的交互。文献[6]在计及风电、天然气网络与水电系统的基础上，研究了电力系统机组组合问题。文献[7]和文献[8]从潮流计算的角度，同时计及电-气网络之间的耦合，对系统能量流进行分析。以上文献就多能源系统能量流的求解以及建模方面进行研究，但对于能源耦合关系和能源输送不确定性方面尚未作出深入探讨。

本文总结了不同能源形式，着重分析电-气之间的耦合方式，并针对多能源输送网络的不确定性和相关性进行阐述，最后就电-气联合系统的数学模型进行归纳。

1 能源输送网络间的耦合关系

传统能源系统多为独立运行，无论从能源利用效率还是能源输送的灵活性角度，都不再适应如今快速发展的生产、生活方式。多能源之间的互联、互通乃至互补是解决这一矛盾的重要途径。

燃气轮机作为电力与天然气的耦合设备，其将天然气作为燃料，并将所产电能供给电网运行；天然气经燃气锅炉可生成热能，根据热能的品质进行分配用以发电或供热；供冷可采用分散式电压缩制冷；电动汽车作为交通网与电网的耦合单元，实现了电能对传统能源的替代；氢燃料站将氢能作为燃料参与综合能源系统运行；电转气技术可通过电解槽实现水电解制氢[9-15]。

鉴于电力网络与天然气网络是成熟的两大能源网络，均有完整的体系，已进入民用阶段，且两网之间存在多种形式的耦合关系。文献[16]对如何计算电-气-热三网融合的混合潮流进行了探讨。文献[17]分析了电-气网络之间的交互影响，并综合考虑了燃气管道约束，对电网风险进行评估。文献[18]评估了天然气分布式能源站的存在价值。文献[19]、文献[20]以最小化成本为目标，研究了电-气联合网络的多阶段规划问题。

电-气混合系统耦合关系如图1所示。

图1 电-气混合系统耦合关系图

①燃气轮机组。

燃气轮机组以天然气作为燃料，发电供给电力网络中的电负荷。燃气轮机组作为电-气转换设备，在电网中是供电电源，而对于燃气网络则是气负荷。燃气轮机输入、输出关系如式(1)所示。

(1)

式中：Hg为输入燃气轮机天然气的热值；PG为输出燃气轮机的电功率；ω、β、γ为比例参数，其值取决于燃气轮机的耗热率曲线。

②电机驱动压缩机。

由于天然气在传输管道内存在损耗，需每隔一段距离设置加压站用以升压。当加压站的压缩机采用电机驱动时，可实现电-气两网之间的深度耦合，增强了能源传输的灵活性。其输入、输出近似为线性关系，具体如式(2)所示。

Pcom=ζHcom

(2)

式中： Pcom为电力网络中节点处驱动压缩机的等效电负荷;Hcom为注入到天然气网络的燃气量；ζ为常数，通常取ζ=7.457×10-6。

③能源集线器。

能源集线器可实现多种能源形式的相互转换，用于电-气联合系统中可等效为相应的电负荷、气负荷以及热负荷等。

能源集线器结构如图2所示，主要可分为能源供应侧、能源转换装置以及能源需求侧三部分。其中，能源转换装置包括变压器、中央空调、微燃机、燃气锅炉等，用于实现能源之间的相互转换。

图2 能源集线器结构图

2 多能源输送网络的不确定性和相关性

多种能源形式的高度融合，以及新能源发电的接入，使得电力行业及其他相关产业面临诸多不确定性的挑战。同时，影响综合网络的变量间存在一定的相关性，需对传统的网络分析方式进行改进，才可实现正确评估。

2.1 多能源输送网络模型的不确定性因素

多能源输送网络的不确定性[21-28]可分为两大类。

①源侧不确定性因素。

新能源的接入大大增加了多能源网络的不确定性，如风和光的不确定性。风机的出力受限于风速的波动，其影响因素既包含风电场所处的地域，也包含日夜差异以及四季变化。同样地，光伏发电受日照强度以及日照时长等自然因素的影响。

②荷侧不确定性因素。

能源互联网涉及的负荷类型多样，包括电、热、气、冷等。其波动性反映了用户用能需求的变化，且不同能源的需求呈现不同的时空分布曲线。

文献[24]计及可再生能源波动性与主动负荷的互动，对响应后的系统安全水平进行了评估。文献[25]以电—气互联系统的总运行成本为优化目标，分析了在输入变量不同的情况下，波动水平及相关性对系统运行的影响。文献[26]考虑了光伏与负荷的不确定性对能源系统潮流的影响。文献[28]考虑了风电和光伏出力、自来水量以及负荷的不确定性，对含新能源的水火系统进行优化调度。以上文献针对融合新能源系统输入端口处负荷的不确定性，对系统进行了评估，同时也说明了忽略系统荷侧不确定性会对系统动态运行的评估造成误差。

2.2 多能源输送网络的相关性因素

多能源输送使得能源互动性增强，需计及输入网络各变量间的相关性才能准确描述此类复杂网络的特性，具体相关性类型可分为三类。

①源与源之间的相关性。

在时空分布上，可再生能源有一定相关性。当多台风机或多块光伏板同时运行时，相邻机组之间存在互相关性，且对于单个机组亦有自相关性。此类相关性一般满足线性关系。

②荷与荷之间的相关性。

多能源系统的负荷之间存在相关性，对于同一区域，极有可能在相似时段经历负荷高峰期或低谷期。这种相关性不仅存在于同类型负荷之间，而且同样存在于不同类型负荷之间。例如电负荷与气负荷在某些程度上就具有相关性，此类相关性同样多为线性关系。

③源与荷之间的相关性。

因负荷与可再生能源均在很大程度上受温度以及自然环境的影响，故二者之间在时序上具有一定相关性。此类相关性由于输入变量分别满足不同分布特性，故一般为非线性关系。

目前针对变量间相关性的研究中，文献[27]采用秩相关系数来处理非线性相关的输入变量，并验证其对潮流的影响，但此方法无法体现变量尾部特性。文献[29]针对风电、光伏等发电功率相关性进行概率评估，但并未考虑源荷之间相关性的影响。文献[30]计及风速与负荷的相关性，分析其对潮流以及配网重构的影响，但并未考虑不同负荷特性曲线的差异性。

3 电-气联合系统的潮流模型

随着能源形式渐趋多样化，能源网络结构日益复杂，更需构建适应高集成度的模型，以实现混合能量流的计算[16-18]。电力网络与天然气网络作为耦合程度较高的两大网络，其模型大致可分为两类。

①单点连接型电-气联合网络。

这种连接形式下，天然气网络以单独节点供应燃气，作为燃气轮机的能源输送端。对于小型城市或是乡村，由于占地面积和用户侧需求量小，考虑到建设管道的成本问题，一般只需天然气网络与电力网络单点连接，即可满足用户需求。

②多点连接型电-气联合网络。

在此连接形式下，天然气网络与电力网络存在多处连接点，以便满足大中型城市的能源供应。除以燃气电站为耦合部分的多点连接外，因能源传输距离较远，故每隔一段距离，还需设置加压站来增加天然气在管道内的压力。

在电-气联合系统建模中，根据电力网络各支路功率平衡条件，节点注入的有功功率Pi、无功功率Qi需满足以下平衡关系。

(3)

(4)

式中：Pij为节点i与节点j相连支路的有功功率；Qij为节点i与节点j相连支路的无功功率。

对于天然气网络，各节点流需满足如下平衡方程。

(5)

式中：Fm为气网节点的注入流量；∑Fmm为与节点相连管道的总流量；∑αFcom,k为流经加压站的总流量，α是用以判断进出加压站的系数；∑μcom,k为驱动压缩机装置自损耗流量，当加压站使用电能驱动时，此项为0。

电-气联合系统的耦合单元包括两个部分，其一为燃气轮机，其输入燃气流量与输出电功率需满足式(1);其二为能源集线器部分，其一般引入能量转化效率矩阵C以及比例分配系数矩阵η来描述输入、输出之间能量转化的关系，如式(6)所示。

L=CηP

(6)

式中：P为注入能量；L为输出能量。

4 结束语

本文以能源互联网为研究背景，讨论了多能源输送的相关问题。从能源互联网的概念出发，总结了电-气联合系统中能源间的耦合关系，简述了其数学模型的构造方式。针对系统运行中输入参数的不确定性和相关性，对源与荷之间的关系进行了归类，同时总结了系统间连接形式划分的电-气联合系统数学模型，最终对系统建模。目前，对多能源输送网络的建模更着重于电力系统部分，对其他系统建模较为简化，且系统之间融合程度较低，与实际系统有所偏差。未来的研究可更侧重于系统转换环节特性，如电-气联合系统中燃气轮机的最优选址定容，优化目标一定时确定电-气转换设备输入侧的电功率等；并制定多能源系统的经济调度方案。

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JointModelingofMulti-EnergyTransportationNetworkunderBackgroundofEnergyInternet

DONGXinxin,SUNWeiqing,ZHANGWei,LIHaiying

(SchoolofOpticalElectricalandComputerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093，China)

Constructingdiversifiedandmulti-directionalenergytransportationnetworkandbuildingcleanenergysupplybase，whichcanenhancetheefficiencyofenergyutilizationandreducethecostofenergysupplyisthebasisandpremiseofdevelopmentofenergyinterconnection.Theintegrationandinterconnectionofvarioustypesofnetworks,breakingthe"isolation"amongdifferenttypesofenergy,makethedevelopmentofvarioustypesofenergytransportnetworkdemonstratethemutualsupportandmutualpromotion.Astwomajordevelopmentmaturenetworks,powernetworkandnaturalgasnetwork，theirnetworkcharacteristicsandnetworkcouplingformareworthyoffurtherresearchanddiscussion.Basedonthecombinationofelectricandgassystem，theresearchstatusofenergytransportationnetworkisintroduced,thedifferentformsofenergytransmissionandthecouplingrelationshipamongmultipleenergytransportationnetworksaresummarized,theelectricalandgascombinedsystemisemphaticallyanalyzed,andtheresearchmethodofmultienergytransmissionnetworkconsideringuncertaintyandcorrelationisdiscussed.Finally,themathematicalmodelofelectricalandgascombinedsystemissummarizedandthefutureresearchdirectionandresearchfocusareprospected.

Renewableenergy;Cleanenergy;Electricity;Transportation;Internet;Networkmodel

董昕昕(通信作者)，女，在读硕士研究生，主要从事电-气联合能源综合系统的研究。E-mail: 441881106@qq.com。孙伟卿(1985—)，男，博士，副教授，主要从事智能电网技术、电力系统规划与优化、微电网发电与并网控制技术的研究。E-mail:sidswq@163.com。

TM727;TH

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701004

修改稿收到日期：2016-11-22