能源互聯(lián)網(wǎng)中的綜合能源系統(tǒng)研究

張 巍, 董昕昕, 孫偉卿, 吳俊宏

(1.上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093;2.華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200001)

能源互聯(lián)網(wǎng)中的綜合能源系統(tǒng)研究

張 巍1, 董昕昕1, 孫偉卿1, 吳俊宏2

(1.上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093;2.華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200001)

綜合能源系統(tǒng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的主要組成部分，實現(xiàn)了多種能源形式的轉(zhuǎn)換以及多種能源網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，是未來的重點研究方向之一。針對能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的綜合能源系統(tǒng)，介紹了國外發(fā)展綜合能源系統(tǒng)的實例。以能源形式以及能源輸送網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)架模塊性為基礎(chǔ)定義了能源互聯(lián)網(wǎng)的概念，并對綜合能源系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。詳細(xì)描述了應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)的綜合能源系統(tǒng)的概念，并從系統(tǒng)架構(gòu)特性、清潔性以及互動性等方面總結(jié)了綜合能源系統(tǒng)的特點。詳述了現(xiàn)有的主要模型以及以系統(tǒng)復(fù)雜度劃分的兩類綜合能源系統(tǒng)模型，即基于能源轉(zhuǎn)換效率的模型以及基于儲能、能源轉(zhuǎn)換和負(fù)荷一體化的模型。最后對綜合能源系統(tǒng)的研究方向以及未來的研究重點進(jìn)行了展望和分析。

電力； 綜合能源系統(tǒng)； 清潔能源； 互聯(lián)網(wǎng)； 協(xié)調(diào)控制； 儲能； 分布式能源

0 引言

在全球性能源危機(jī)以及環(huán)境污染的背景下，大力發(fā)展可再生清潔能源已成為推進(jìn)社會轉(zhuǎn)型及能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。能源互聯(lián)網(wǎng)是能源和互聯(lián)網(wǎng)思維[1-2]深度融合的結(jié)果，旨在提高能源利用率，并降低對傳統(tǒng)能源的依賴，轉(zhuǎn)變能源生產(chǎn)方式及消費模式。而綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system,IES)作為一種新型能源一體化的開放型系統(tǒng)，是能源互聯(lián)網(wǎng)的主要載體。能源集線器是IES的集成表現(xiàn)形式，不同文獻(xiàn)中提到的能源路由、多載能體、能源樞紐等均為同一概念[2-5]。

目前，IES已成為各國能源行業(yè)大融合的入口，各國都在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下大力發(fā)展IES[3-5]。美國在2001年提出了IES發(fā)展計劃，旨在對分布式能源(distributed energy resources,DER)和熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heating and power，CHP)技術(shù)進(jìn)行推廣。加拿大預(yù)計到2050年建設(shè)社區(qū)級綜合能源系統(tǒng)，以實現(xiàn)節(jié)能減排。日本針對構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)開展了廣泛研究，如日本新能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)開展的智能社區(qū)和智能微網(wǎng)研究、Tokyo Gas的綜合能源網(wǎng)研究等。

為促進(jìn)未來能源的可持續(xù)供應(yīng)，目前各界學(xué)者先后開展了與IES技術(shù)相關(guān)的研究。文獻(xiàn)[3]對IES及能源互聯(lián)網(wǎng)兩個領(lǐng)域的經(jīng)典研究進(jìn)行了闡述。文獻(xiàn)[4]介紹了IES在歐洲的發(fā)展現(xiàn)狀。文獻(xiàn)[5]總結(jié)了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的通用建模及規(guī)劃理論，以及國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀。文獻(xiàn)[6]融合能源系統(tǒng)和信息系統(tǒng)，提出了綜合配電系統(tǒng)的概念，并探討了規(guī)劃設(shè)計思路。上述文獻(xiàn)主要概括分析了IES的發(fā)展現(xiàn)狀以及規(guī)劃思路，但并未從建模的角度作具體討論。

本文從IES的概念出發(fā)，總結(jié)了IES內(nèi)部的耦合關(guān)系及功能特點。同時，根據(jù)系統(tǒng)復(fù)雜程度劃分了兩種IES模型，并對IES未來的研究方向進(jìn)行了展望。

1 IES的概念

IES作為新一代能源系統(tǒng)，是源、網(wǎng)、荷深度融合、緊密互動的集成化能源系統(tǒng)[7-15]，一般由以下幾部分組成：供能網(wǎng)絡(luò)單元(如供電、供氣、供冷、供熱等網(wǎng)絡(luò))，能源交換單元(如冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、發(fā)電機(jī)組、鍋爐、空調(diào)、熱泵等)，能源存儲單元(如儲電、儲氣、儲熱、儲冷等)，終端綜合能源供給單元(如微網(wǎng))和終端用戶。IES組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IES結(jié)構(gòu)圖

IES的各級子系統(tǒng)之間存在多重耦合關(guān)系，能源集線器作為IES的功能性集成，更為形象地體現(xiàn)了能源間的耦合關(guān)系，使得各類能源之間可以互聯(lián)、互通以及互補。各能源之間耦合關(guān)系如表1所示[4-5,15-16]，表中所述能源均為可儲能源。

IES具有以下特點。

①靈活性。IES根據(jù)不同能源的特性，通過增強(qiáng)多能源之間的互補、提升能源傳輸及轉(zhuǎn)換效率，以提高整個系統(tǒng)的靈活性。當(dāng)某類能源供給因故障中斷時，系統(tǒng)可利用其他能源實現(xiàn)連續(xù)供能。時間尺度上，不同能源形式的運行時間有快有慢，且能源供應(yīng)存在慣性，系統(tǒng)啟停時間存在延遲，IES可在時間及能源獲取的難易程度上進(jìn)行互補，形成良性互動。

表1 各能源之間耦合關(guān)系

②可擴(kuò)展性。以模塊式劃分的IES可根據(jù)各適用區(qū)域面積，形成單獨的IES或多個IES聯(lián)合供應(yīng)，多個IES之間可實現(xiàn)互聯(lián)，對于各類供能網(wǎng)絡(luò)、能源交換及存儲模塊有較強(qiáng)的適應(yīng)性及融合度，以滿足更大規(guī)模的用戶需求。

③高度集成性。IES內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)化的集成中具有不同分工，可實現(xiàn)能量的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲、使用等多種功能，所集成的互聯(lián)物理系統(tǒng)實現(xiàn)了各產(chǎn)業(yè)及用戶之間的深度融合。

④低碳性。隨著傳統(tǒng)化石能源的逐步枯竭以及新能源技術(shù)的興起，IES源側(cè)利用清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤炭能源，以塑造有利于節(jié)能低碳的城市空間環(huán)境為目標(biāo)，從源頭上控制碳排放量。

⑤多能源協(xié)調(diào)控制。多能源之間的協(xié)調(diào)控制可極大地提高系統(tǒng)的安全性，使各級子系統(tǒng)在技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的狀態(tài)下運行，并可在發(fā)生事故時及時制定有效措施。

⑥有利于“電能替代”。相比其他能源形式，電能具有清潔、安全、便捷等優(yōu)勢，實施電能替代對于推動能源消費革命、落實國家能源戰(zhàn)略、促進(jìn)能源清潔化發(fā)展具有重大意義。多種能源與電力系統(tǒng)的高度融合，可以進(jìn)一步加快“電能替代”的推廣和發(fā)展。

2 IES的數(shù)學(xué)模型

IES的數(shù)學(xué)模型一般需依據(jù)具體系統(tǒng)特點，對各類設(shè)備進(jìn)行模塊化的模型構(gòu)造。文獻(xiàn)[10]以節(jié)點為基礎(chǔ)構(gòu)建融合系統(tǒng)節(jié)點及轉(zhuǎn)換單元的模型。文獻(xiàn)[11]根據(jù)能源系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系，構(gòu)建了集能源傳輸、轉(zhuǎn)換以及存儲于一體的集成系統(tǒng)模型。文獻(xiàn)[12]基于全能流模型思想，構(gòu)建了區(qū)域多能源系統(tǒng)。文獻(xiàn)[16]提出了一種根據(jù)各分級模塊自下而上的多能源綜合模型。根據(jù)各能源及轉(zhuǎn)換設(shè)備的特性，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。依據(jù)實際情況，可從簡處理或詳細(xì)建模。根據(jù)模型的復(fù)雜度，IES模型可分為兩類。

①基于能源轉(zhuǎn)換效率的IES模型[10-16]。

能源傳輸、轉(zhuǎn)換及存儲過程存在一定能耗損失，此類模型用效率函數(shù)描述轉(zhuǎn)換過程的損耗，并以此獲得輸入輸出接口的函數(shù)關(guān)系，可表述為：

L=CP

(1)

式中：L和P分別為以矩陣形式表示的輸出與輸入能量，包含電能、熱能、燃?xì)饽芤约捌渌黝愋问侥芰浚籆為輸入輸出關(guān)系的耦合系數(shù)矩陣，其由中轉(zhuǎn)設(shè)備的效率以及能量分配比例決定。

多能源系統(tǒng)輸入輸出模型如圖2所示。

圖2 多能源系統(tǒng)輸入輸出模型

這類模型的優(yōu)點是模型較為簡化，方便相關(guān)數(shù)據(jù)的計算，并可根據(jù)具體情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。其缺點在于僅用效率函數(shù)描述轉(zhuǎn)化過程缺乏實際數(shù)據(jù)的支撐，結(jié)構(gòu)類型過于簡單，無法確保切實可行，同時不適用于對動態(tài)系統(tǒng)的模擬。

②基于儲能、能源轉(zhuǎn)換、負(fù)荷一體化的IES模型[13-15]。

儲能設(shè)備除去廣義上的儲電，還包括儲熱、儲氣、儲氫等多能源形式的儲存，同時交通網(wǎng)的融入使得電動汽車亦可作為儲能單元參與協(xié)調(diào)系統(tǒng)運行。這類模型將傳統(tǒng)的、可體現(xiàn)系統(tǒng)單一截面特性的模型加以擴(kuò)展，形成考慮系統(tǒng)動態(tài)特性的實用型模型，接口輸入輸出關(guān)系可描述為：

(2)

式中：C為能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié);S為儲能單元;E為能源存儲量。

動態(tài)綜合能源系統(tǒng)輸入輸出模型如圖3所示。

圖3 動態(tài)綜合能源系統(tǒng)輸入輸出模型

此類模型詳細(xì)描述了各能源之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可考慮到系統(tǒng)的動態(tài)特性，并可根據(jù)需求側(cè)響應(yīng)實現(xiàn)負(fù)荷側(cè)的轉(zhuǎn)移和消減，具有較強(qiáng)的實用性。但由于各能源之間的耦合性強(qiáng)，使用該模型求解綜合能量流及最優(yōu)化相關(guān)問題時，非線性度較高，不易求解。在現(xiàn)有IES相關(guān)技術(shù)不明確的情況下，很難建立一個準(zhǔn)確的動態(tài)模型，因此該技術(shù)還有待進(jìn)一步的完善和發(fā)展。

此外，一些文獻(xiàn)考慮了新的因素，提出了新的IES建模方式，如文獻(xiàn)[13]將小型分布式發(fā)電系統(tǒng)及虛擬電廠融入多能源系統(tǒng)，構(gòu)建了相關(guān)模型;文獻(xiàn)[16]基于能源樞紐的概念將產(chǎn)品生產(chǎn)及廢棄物排放融入到了能源系統(tǒng)中，構(gòu)建了集成能源、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境的互動性綜合樞紐。

3 綜合能源系統(tǒng)的研究方向

能源互聯(lián)網(wǎng)是IES出現(xiàn)的大前提。IES使得能源互聯(lián)網(wǎng)中各能源之間的聯(lián)系更加緊密，但同時帶來了不少新的問題，未來應(yīng)重點關(guān)注的研究趨勢如下。

①考慮系統(tǒng)動態(tài)和多種能源的特性，進(jìn)行IES數(shù)學(xué)建模。考慮能源轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)膭討B(tài)變化規(guī)律及各類負(fù)荷的變化特性，并利用各能源自身的特性，實現(xiàn)能源之間的相互補充。例如：考慮到電能易傳輸、難存儲，而熱能則易存儲、難傳輸?shù)奶攸c，加入儲熱和電熱轉(zhuǎn)換單元，可實現(xiàn)熱電之間的互補。

②開展潮流計算和其他電力系統(tǒng)計算[17-22]。傳統(tǒng)的潮流計算僅用于電力系統(tǒng)，多能源綜合系統(tǒng)則需考慮混合能量流的計算。根據(jù)不同運行模式，以及各能源網(wǎng)絡(luò)之間的耦合關(guān)系，可對以往的統(tǒng)一求解方式以及順序求解法作出改進(jìn)，實現(xiàn)IES的并行求解，快速準(zhǔn)確地求解相關(guān)潮流問題。同時，在多能源系統(tǒng)的背景下，可仿照電力系統(tǒng)的計算方法進(jìn)行求解計算。

③考慮時間尺度問題。各種能源自身的時間尺度不一致，如電能是瞬時的，氣是需要時間傳輸?shù)模杩紤]能源轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲等時間，以此更準(zhǔn)確地描述整個系統(tǒng)變化特性。

④考慮綜合系統(tǒng)的不確定性[23-24]。在多能源協(xié)同運作下，系統(tǒng)隨機(jī)性和互動性增強(qiáng)，系統(tǒng)狀態(tài)更加復(fù)雜多變，不確定因素更加多樣。如何評估各類不確定因素對綜合系統(tǒng)的影響，是預(yù)測系統(tǒng)安全性和可靠性至關(guān)重要的問題。未來的系統(tǒng)模型應(yīng)考慮輸入、傳輸、轉(zhuǎn)換等部分的不確定性，更加全面地描述系統(tǒng)特性。

⑤建立市場化模型。在遵循能源互聯(lián)網(wǎng)宗旨的前提下，各能源運營商以及用戶之間需建立協(xié)調(diào)雙方的運營交易機(jī)制，既可滿足用戶側(cè)需求，又可結(jié)合各類能源的分時價格，實現(xiàn)低價購買。

⑥多綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。不同能源形式在不同應(yīng)用場合承擔(dān)不同的角色，對這種復(fù)雜系統(tǒng)的管理與控制尤為重要，需依據(jù)各能源系統(tǒng)最優(yōu)運行方式來實現(xiàn)各能源利用率的最大化，以及各子系統(tǒng)的協(xié)同運作。

4 結(jié)束語

在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，各類能源不再是相互獨立的個體，能源體間存在越來越復(fù)雜的聯(lián)系，IES作為能源互聯(lián)、互動以及互通的橋梁，是未來研究的重點。

本文從能源互聯(lián)網(wǎng)的概念出發(fā)，對綜合能源系統(tǒng)的研究狀況進(jìn)行了闡述。由于現(xiàn)有對IES的研究中較少考慮各能源網(wǎng)絡(luò)間的耦合關(guān)系，故本文詳細(xì)描述了IES之間多重耦合的關(guān)系以及系統(tǒng)特點，未來研究可側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)接口處的特性研究。通過總結(jié)現(xiàn)有文獻(xiàn)中的主流模型，對其進(jìn)行數(shù)理整合并提出了基于系統(tǒng)復(fù)雜程度的模型結(jié)構(gòu)。最后，對綜合能源系統(tǒng)的研究方向進(jìn)行了展望，大力發(fā)展綜合能源系統(tǒng)可解決目前功能系統(tǒng)安全性低、自愈能力差、設(shè)備利用率低等一系列問題，未來可針對多能源系統(tǒng)特性、綜合潮流計算、考慮系統(tǒng)時間尺度問題、綜合系統(tǒng)不確定性、市場化系統(tǒng)以及綜合系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略等六個方面進(jìn)行相關(guān)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)

張巍(1983—)，男，博士,講師，主要從事能源互聯(lián)網(wǎng)、電力系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化運行方向的研究。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