区域综合能源系统中考虑季节负荷特性的多能流耦合运行研究*

李媛, 杨秀, 凌梓, 李莉华，张美霞, 刘舒

(1. 上海电力学院，上海 200090； 2. 国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437)

0 引 言

近来全球经济社会迅猛发展，对能源使用效率的要求也日益剧增，在能源可持续发展政策及环境污染等问题的压力之下，“能源互联”的概念应运而生。其旨在打破传统能源系统的结构局限，更大程度地促进电力、天然气、热力等能流的多能协同与互联，从而更好的协调各类能源在未来社会中的发展地位，对提高能源利用效率、降低能源利用的成本与减少环境污染有重要意义。其中，综合能源系统(Integrated Energy System，IES)[1]作为能源互联网这一课题中最具代表性的“能源互联”系统，是顺应能源时代发展，确保人类社会能源安全的必经之路[2]。其有效解决了传统能源系统中各类能源与能源系统之间相对独立及耦合不紧的问题，从根本上变革了当前能源的生产和消费模式。

传统的电力、热力及天然气等能源系统的建模方法已经相对成熟，有关多能源耦合的相关研究主要集中在电-气的耦合分析方面。文献[3-4]对电-气耦合网络进行建模并提出一种混合能流计算方法；文献[5]提出了一种电-气耦合系统的动态模型并以此研究了电-气网络之间的双向互动；文献[6]推导了适用于天然气网能量流计算的有限元节点法，并提出CCHP供能率指标以反映微能源网电-气的耦合程度。

瑞士某理工学院G.Andersson实验组提出的能源集线器[7](Energy Hub，EH)作为综合能源系统中的核心内容，对多能源网络描述较为成功，近来相关研究也围绕着EH逐步展开。文献[8-9]提出了以 EH为核心的电/热/气混合最优潮流的分解算法；文献[10]对两类EH模型进行建模，给出完全解耦、部分耦合以及完全耦合 3 种运行模式，并提出适用的混合潮流算法；文献[11]基于EH概念对多能源系统进行建模分析。对含多种能流的IES研究，国内外学者也进行了相关探索：文献[12]将IES分为跨区级、区域级和用户级，并对区域综合能源系统(Integrated Community Energy System ，ICES)进行统一建模和能量流分析；文献[13]考虑IES系统中电力系统并网和孤岛2重运行模式，提出一种面向多能流的扩展牛顿-拉夫逊计算方法；文献[14]采用牛顿法求解IES的稳态能量流方程，并采用蒙特卡罗模拟法求解其概率能量流，分析天然气管网与电网不确定因素对彼此概率能量流的影响；文献[15]探究了天然气气质改变、负荷调节与引入注气点对ICES的影响。此外，文献[16-17]在ICES的优化调度方面也展开了相应研究。

ICES中各个设备的耦合特性随异质能流间耦合的不断增强变得明显而复杂。虽然现阶段对ICES已有较为全面丰富的研究，但尚未对系统中不同季节下的建模与运行模式进行分析，忽略了负荷季节特性对系统耦合机制的影响。本文将用户端冬夏负荷的季节特性考虑到ICES的能源集线器建模当中，提出一种适用于冬夏两季的通用能源集线器，采用分解法[18]将然气管网与电网的能流进行分别求解。旨在更加深入地探索多能流在能源集线器中的耦合机制，发挥多能协同作用达到能量最优分配，避免耦合带来的不利影响。

1 电、气、热系统的耦合运行建模

1.1 通用能源集线器耦合关系的数学描述

区域综合能源系统是一个集能源生产、转换、存储和消费的一体化系统，其能量流动走向包括三个环节，分别是天然气与电力系统交互影响的能量传输环节、实行能源转换及分配的能源集线器环节以及反馈用户端负荷特性的终端环节。其中，实行能源转换及分配的能源集线器环节是ICES的核心环节，它作为一个中间媒介，实时监控用户端的负荷特性并作出与其相匹配的能源集线器响应，并在能源集线器内生成与负荷端相对应的能源输入，同时制定出相应的能量分配计划，其在综合能源系统中起着一个承上启下的关键作用。对于单个能源集线器，其内部相关元件之间的耦合关系可用耦合矩阵来描述，如式(1)所示。

(1)

式中矩阵L代表能源集线器输出端的用户负荷，其负荷类型包括冷负荷Lc、热负荷Lh以及电负荷Le；矩阵C为耦合系数矩阵，其元素代表能源集线器内部耦合设备之间的耦合关系；矩阵P中的Pe,EH和Pg,EH分别为输入能源集线器的电力和天然气功率流。

根据用户端负荷类型随季节变换这一特性，本文针对冬夏两个典型季节的负荷结构，提出一种适用于两个典型季节的通用能源集线器模型，引入3个能量分配系数：天然气调度因子ν、电气分配系数λ和以热制冷系数β。通用能源集线器结构如图1所示。

图1 通用能源集线器结构

(2)

在没有冷负荷的冬季，燃气转换单元产生的热能将全部用于满足热负荷，此时电气转换单元中的AC将只用于制热。由于冬季没有冷负荷，EH不对外供冷，耦合矩阵降为2维矩阵，如式(3)所示：

(3)

1.2 基于季节变换的运行模式分析

冬夏两季负荷最明显的差别在于其组成成分以及各成分的大小：夏季热负荷较小，主要负荷为冷负荷；冬季没有冷负荷，热负荷为主要负荷。以此围绕燃气轮机与锅炉的额定容量建立通用能源集线器以热定电(Following the Thermal Load，FTL)和以电定热(Following the Electric Load，FEL)两种运行模式：

(1)冬季热负荷较大，空调只制热，通用能源集线器运行在FTL模式。该模式下将燃气锅炉作为首选的产热设备，其消耗的天然气由热负荷决定，燃气轮机和空调作为备用热源，外部电网作为备用电源。FTL模式下EH与系统交换的能量为：

Pg,EH=Pg,MT+Pg,GB

(4)

(5)

式中Pg,MT和Pg,GB分别为输入燃气轮机和燃气锅炉的天然气；Pe,AC为输入空调的电功率。EH内燃气锅炉、燃气轮机和空调输出的电功率分别为：

(6)

(7)

(8)

(9)

(2)夏季热负荷较小，空调只制冷，通用能源集线器运行在FEL模式。该模式下燃气轮机消耗的天然气由电负荷决定，燃气锅炉作为备用热源，空调和制冷机共同为用户提供冷负荷。FEL模式下EH与系统交换的能量为：

Pg,EH=Pg,MT+Pg,GB

(10)

Pe,EH=Le+Pe,AC

(11)

EH内燃气轮机、燃气锅炉和空调输出的电功率分别为：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

2 区域综合能源系统稳态计算

能源集线器作为连接天然气管网与配电网的中间媒介，系统的异质能流在其内部相互交织并转换成冷能、热能和电能输送到用户端。而天然气网络和电气网络之间仅通过燃气轮机相互耦合，故天然气负荷流量分析和电力潮流计算可分别进行。

2.1 天然气管网稳态计算

本文采用牛顿网孔-节点法[19]的天然气管网流量分析法对管网中的天然气流量进行计算。

(1)管道中的天然气流稳态方程

天然气管网由若干的管道经节点连接而成，在此将连接同一管道的两侧节点称之为节点对，节点对的气压与管道流量之间的关系为：

(17)

(18)

式中fij为节点i通过管道到节点j的流量(m3/h)；pi为天然气管网中节点i处的压力；m为流量指数，取1.854；Kij为表征管道特性的管道常数；而Sij用于表征天然气的流动方向：

(19)

根据Panhandle”A”公式[20]，表征管道特性的管道常数为：

(20)

式中为管道i到j的长度(m)；Ef为管道的效率系数，取0.92；Dij为节点ij之间的管道直径(mm)。

(2)基于树枝理论的流量模型

由管网的基尔霍夫第一定律[19]可知，任何一个节点的流量代数和为零。这意味着管网中任一节点处负荷等于流入流出该节点的支路流量之和，可用矩阵表示为：

(21)

式中L为天然气管网中的燃气负荷矢量；Ld为非电力燃气需求矢量；Le为电力需求矢量；若支路气流流入该节点，则f为正；反之则为负。A1为缩减的支路—节点关联矩阵，其元素aik定义如下：

(22)

将天然气管网中的管道分为树枝l和共轭树枝(也可称为弦)c，若管道出口压力已知，则该管道为弦，否则为树枝。由此可将式(21)拆分为：

L=A1lfl+A1cfc

(23)

2.2 配电网三相不平衡潮流计算

实际工程中由于三相元件、线路参数或负荷不对称，导致配电网中的三相电压以及电流极易出现不平衡现象，故配电网中的潮流多为三相不平衡潮流。常规算法主要有基于导纳矩阵或回路阻抗矩阵的算法(牛顿-拉夫逊(N-R))算法、电源叠加法和基于支路变量的潮流算法如支路电流回代法和支路功率前推回代法等。基于前推回代法[21]具有编程简单、没有复杂的矩阵运算、计算速度快、占用计算机的资源很少、收敛性好且适用于在实际配电网中的应用等特点，本文采用前推回代的辐射式计算方法对系统中的配电网潮流进行计算。

节点i的前推计算公式为：

(24)

节点i的回推计算公式为：

(25)

式中(rki+jxki)为支路ki上的阻抗。

3 算例分析

3.1 算例介绍

基于本文所提出的通用能源集线器模型，使用图2所示的区域综合系统仿真算例结构，它由6节点配电系统、5节点6管网系统以及一个通用能源集线器组成。其中，能源集线器分别与天然气管网的节点5和配电网节点5相连，在此将两个节点统称为媒介点。系统中的天然气管网与配电网通过能源集线器耦合，管网与配电网输入的天然气与电气经能源集线器内部的三个产能单元分别转换为冷、热、电负荷输送到用户端。

图2 区域综合能源系统算例架构图

天然气管网中的节点1为气源点，气源点采用压力控制，压力恒定为60 bar，系统功率因素均设为0.85。燃气轮机的额定功率为1 500 kW，燃气锅炉的额定供热量为2 000 kW，制冷机额定制冷量为2 500 kW。

算例只考虑冬夏两季在典型日的负荷情况，冬季没有冷负荷，其供热由空调、燃气轮机以及燃气锅炉共同承担，其中空调只制热，故线路开关1、3打开，2闭合；夏季供冷由空调和制冷机共同承担，其中空调只制冷，故线路开关1、3闭合，2打开。

3.2 EH能量关联分析与系统能流动态

(1)EH能量关联分析

由季节导致的负荷结构与类型差异对EH中的能流耦合存在多元影响，本文采用季节与运行方式匹配的方法将多元复杂的影响因子耦合，使系统在夏季运行于FEL模式，在冬季运行于FTL模式。由负荷侧的功率需求经能源集线器内部运行方式响应即可得到在媒介点处能源集线器与配电网及天然气管网的能量交互值，如图3、图4所示。

计算结果显示，EH在冬夏与配电网交互的电功率同两季的电负荷曲线基本一致，其与天然气管网在冬夏的能量交互值则分别同冬季热负荷、夏季电负荷保持一致。通过将影响EH能量交互值的各类因素耦合到季节和运行方式中的计算结果，我们可做出以下推测：在夏季，EH的能耗量主要依赖于电负荷；在冬季，EH的电耗量依赖于电负荷，天然气耗量依赖于热负荷。

图4 EH与天然气网交互的天然气功率

为了进一步探究负荷侧与EH能量交互侧的关系，对二者进行相关性分析，其数学表达式为：

(26)

对算例中用户侧与EH侧进行相关性计算，分别探索不同季节与运行方式下负荷与EH交互值的相关性，其结果如表1所示。

表1 ICES用户侧负荷与EH媒介点的相关性分析

可见，夏季FEL模式下配电网媒介点输入EH的电功率与冷负荷相关性最高，这意味着燃气轮机输出的电能在夏季基本能够满足居民区电负荷，此时输入EH的电功率主要用于空调制冷；而管网媒介点输入EH的天然气与电负荷相关性最高，反应了该模式下燃气轮机将电负荷与天然气直接耦合的特性。冬季FTL模式下媒介点输入EH的电功率与电负荷相关性最高，表明冬季在燃气转换单元产生的热能基本能够满足居民区热负荷，此时通过空调的补热量较少；而媒介点输入EH的天然气与热水负荷相关性最高，其间接反映该模式下燃气转换单元主要用于供热水负荷Lw，其余热负荷Ld在燃气转换单元产热不足的前提下才会启用空调制热。

(2)系统能流动态

运用MATLAB程序及其Simulink仿真平台对系统中的能流进行计算，可得到冬夏两季典型日下配电网各节点的三相电压、线路功率与天然气管网各个节点的压强、支路流量在24 h内的变化情况。为比较运行方式与负荷季节特性耦合的优势，对相同季节不同运行方式下的计算结果进行对比。图5～图8分别显示了冬夏两季的配电网电压以及管网气压在典型日内不同运行方式下的波动情况。

图5 夏季典型日配电网的电压波动

图6 冬季典型日配电网的电压波动

图7 夏季典型日天然气管网的气压波动

图8 冬季典型日天然气管网的气压波动

由配电网在相同季节不同运行模式下的电压计算结果可知，夏季FEL模式下的电压幅值波动相较FTL模式更为平缓。冬季受热负荷的影响，FTL模式下的电压幅值的最大波动值与平均波动值都较FEL模式大，但其平均波动占比要优于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电网侧的电压波动。天然气管网侧的气压在节点方向均呈现波浪式走向，其在不同运行方式上的波动差异主要体现在冬季。从图8可看出，冬季FEL的模式在0时刻附近能够较好的抑制气压波动，而FTL模式则能够在用气高峰时段保持管网各节点气压的小幅波动。

3.3 ICES系统中的能量分配

基于夏季FEL模式、冬季FTL模式的匹配方式，可得到两季典型日下24小时的能量分配计划，如图9所示。

图9 冬夏典型日的能量分配计划

图中，夏季典型日的凌晨和傍晚时段电气分配系数λ恒为1，这意味着输入到EH内部的电能全部被分配到AC用于制冷。随着用电高峰的到来，MT不足以提供足够的电能，此时输入EH的电能主要用于克服用电高峰，故λ迅速下降至0.3。天然气调度因子ν的趋势和λ相似，在热、电负荷低谷时段MT的输出足以提供热、电负荷，此时GB停运，天然气全部输入到MT。当热负荷高峰来临，GB作为热用产热补充MT不能满足的热负荷，故ν下降。而制冷系数β代表燃气转换单元中产生的热能输入到AR制冷的比例，故冷负荷和热负荷共同决定了制冷系数的大小。β曲线下凹表示此时的冷热负荷相对差距减小，当冷负荷远大于热负荷时，燃气转换单元的制冷出力上升，β曲线便呈现上凸趋势。冬季典型日由于少了制冷环节，EH内部设备与负荷之间的耦合关系大大简化，其能量分配系数走向与负荷曲线基本一致。

图10 冬夏典型日能量分配检验

为了检验该能量分配计划的合理性，将得到的能量分配系数带入EH耦合矩阵，对其进行产能检验。图10显示了其检验结果，结果表明除了在夏季的早晨及傍晚时段存在部分冷能和热能浪费，其余时刻的产能量与两季居民区负荷保持基本重叠，故该能量分配计划在保证不浪费能源的情况下，能够满足典型日内24小时的居民区负荷。

4 结束语

为了深入探究ICES中多能流的耦合关系，本文将夏季冷负荷与热负荷分开考虑，构建了一个适用于冬夏两季的通用能源集线器模型，并基于负荷的季节特性匹配EH运行模式。算例表明该模型及计算方法可用于分析ICES中不同能流的耦合程度，所提出的考虑季节负荷特性的多能流运行模式能够为ICES制定出一份合理的能量分配计划。

本文主要针对冬夏两季典型日的负荷特性制定运行模式及能量分配，未来将进一步研究包含储能的耦合计算及在此基础上的系统优化，以寻找ICES的最佳能量分配计划，使得EH在完全满足负荷的前提下达到最低能耗。