多能微網(wǎng)階段化多模式混合仿真關(guān)鍵技術(shù)綜述

張樹卿 唐紹普 朱亞萍 于思奇 孫鈺博

1(清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 北京 100084)

2(北京市智中能源互聯(lián)網(wǎng)研究院 北京 100176)

在能源生產(chǎn)與消費革命、“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，能源互聯(lián)網(wǎng)被設(shè)計提出，以解決資源緊張、新能源消納、環(huán)境污染和氣候變化、現(xiàn)有能源利用和設(shè)備利用率低下等問題；在電力體制改革的帶動下，通過局地能源高效利用尋求一定的經(jīng)濟效益.

能源互聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)思維和理念構(gòu)建的新型的信息-能源融合復(fù)雜系統(tǒng)[1].作為能源互聯(lián)網(wǎng)的基本實現(xiàn)形式，能源互聯(lián)微網(wǎng)(多能微網(wǎng))通過新能源發(fā)電、多種微能源采集、匯聚與分享以及微網(wǎng)內(nèi)的儲能或用電消納組成[2]，體現(xiàn)了能源互聯(lián)網(wǎng)的“源網(wǎng)荷儲”各環(huán)節(jié)形式的多樣性、“源荷儲”交叉共建、能量轉(zhuǎn)化機理和系統(tǒng)運行特性復(fù)雜等特征.

國內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)尚在可研、規(guī)劃設(shè)計和摸索建設(shè)階段，即使在國外，也少有可參考的成熟案例.規(guī)劃設(shè)計階段重點關(guān)注技術(shù)可行性、源-荷匹配及能量運輸路徑和經(jīng)濟性等因素，技術(shù)方面主要考慮多種能源的源與荷在多種可能的運行工況下的匹配、能源系統(tǒng)定工況計算與靜態(tài)穩(wěn)定等.

實際上，能源系統(tǒng)的動態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定性已在微電網(wǎng)、多電力電子電網(wǎng)中成為普遍關(guān)注的問題，并在實際電網(wǎng)中顯現(xiàn)，典型的是多變流器之間及其與電網(wǎng)間相互作用引起的振蕩[3]，在主電路參數(shù)匹配失當(dāng)、裝置內(nèi)部和裝置間控制不協(xié)調(diào)的情況下，易引發(fā)電路中的次同步振蕩[4-5].能源互聯(lián)網(wǎng)中更易由多尺度序貫控制機制[6]、低慣性和寬頻帶響應(yīng)特性引起能源系統(tǒng)設(shè)備之間及能源互聯(lián)微網(wǎng)與外網(wǎng)之間的復(fù)雜交互作用，使得能源互聯(lián)網(wǎng)的暫態(tài)、動態(tài)穩(wěn)定問題更加突出、形式更加多樣和復(fù)雜，增加了能源互聯(lián)微網(wǎng)行為特性分析研究和運行控制的難度.

各地已經(jīng)開始了能源互聯(lián)網(wǎng)實際工程的探索和規(guī)劃、建設(shè)，已有園區(qū)能源互聯(lián)微網(wǎng)將逐步開始運行.然而，當(dāng)前能源互聯(lián)網(wǎng)的理論體系、技術(shù)體系、標(biāo)準(zhǔn)體系、產(chǎn)業(yè)體系都還沒有形成[7].對于系統(tǒng)規(guī)劃參數(shù)設(shè)計及方案驗證、設(shè)備組網(wǎng)并網(wǎng)后的特性分析、控制行為特性分析、控制保護整定、系統(tǒng)的運行特性研究都需要有效的動態(tài)、暫態(tài)仿真技術(shù)手段作支撐.

多能系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的物理層核心，已有的電網(wǎng)、微電網(wǎng)、熱電廠、熱力系統(tǒng)等能源系統(tǒng)仿真技術(shù)手段并不能滿足能源互聯(lián)網(wǎng)中多能系統(tǒng)動態(tài)、暫態(tài)仿真的需求.目前微電網(wǎng)、多電力電子網(wǎng)絡(luò)的仿真是傳統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真和電磁暫態(tài)仿真的延伸，兩者均無法克服傳統(tǒng)暫態(tài)仿真的缺點[8].如針對微網(wǎng)次同步振蕩，由于仿真手段的限制，鮮有考慮多變流器的異構(gòu)性和電網(wǎng)形態(tài)的多樣性[9-11].已有能源系統(tǒng)的動態(tài)、暫態(tài)仿真僅針對單一類型能源系統(tǒng)或設(shè)備，而對于不同能源形式的仿真程序相對獨立，無法計及不同類型能源系統(tǒng)和設(shè)備的關(guān)聯(lián)與耦合[12-15].

本文首先調(diào)研、總結(jié)了微電網(wǎng)和以熱能、熱力系統(tǒng)為代表的非電能源系統(tǒng)仿真技術(shù)現(xiàn)狀，它們是多能源系統(tǒng)動態(tài)、暫態(tài)仿真的基礎(chǔ)；接著總結(jié)多能微網(wǎng)的特征，針對這樣的系統(tǒng)，分析了動態(tài)和暫態(tài)仿真的要點和難點；基于復(fù)雜電網(wǎng)和微電網(wǎng)仿真技術(shù)，進一步提出了階段化多模式混合仿真的思想，并分解闡述了其原理及關(guān)鍵技術(shù)點.

1 能源網(wǎng)仿真技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)仿真技術(shù)基礎(chǔ)

能源互聯(lián)微網(wǎng)是電網(wǎng)、微電網(wǎng)的拓展和延伸[16-17]，并在電能的基礎(chǔ)上引入了熱動系統(tǒng)、熱力網(wǎng)、燃料管網(wǎng)等非電能源，是多種能源綜合、互補分配利用的能源發(fā)、輸、儲、用系統(tǒng).電網(wǎng)、電力系統(tǒng)仿真技術(shù)方面已有較豐富的成果，針對各類需求和關(guān)注點，形成了諸如潮流和靜態(tài)穩(wěn)定、電磁暫態(tài)、機電暫態(tài)和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)、中長期穩(wěn)定等較成熟的仿真手段.在電網(wǎng)、電力系統(tǒng)仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，人們通過模型開發(fā)拓展了微電網(wǎng)仿真技術(shù)，并有一定的應(yīng)用[18-19].微電網(wǎng)仿真則為多能微網(wǎng)仿真提供了部分模型和算法基礎(chǔ).

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，多種能源系統(tǒng)的設(shè)備和子系統(tǒng)之間緊密耦合與相互作用.在非電能源領(lǐng)域，也有各自的分析計算方法和手段.因此，在多能微網(wǎng)仿真中可有選擇地引進和借鑒.

1.2 微電網(wǎng)仿真

微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)分布式電源種類豐富，受外部環(huán)境變量的影響，微網(wǎng)運行環(huán)境、運行狀態(tài)復(fù)雜多變，包含多種能源的輸入輸出、多種能源轉(zhuǎn)換方式、多種運行狀態(tài)、部分電源的間歇性和隨機性，其中涉及到的物理過程跨越了幾十微秒、毫秒乃至分鐘以上的時間尺度.微網(wǎng)仿真重點關(guān)注新能源接入、分布式能源建設(shè)與并網(wǎng)等，涵蓋了上述較寬時間尺度的物理過程.

微網(wǎng)仿真包括穩(wěn)定仿真分析、系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定特性仿真分析和系統(tǒng)-裝置級行為特性精細仿真[19].

穩(wěn)定性仿真分析的基礎(chǔ)，主要包括2類：1)根據(jù)給定的分布式發(fā)電系統(tǒng)運行方式求解系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行點；2)短路故障分析是獲取系統(tǒng)各種短路故障下的故障電流，為系統(tǒng)中各種設(shè)備和開關(guān)容量的選擇提供依據(jù).

系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定特性仿真重點關(guān)注系統(tǒng)中慢的動態(tài)過程，采用簡化的網(wǎng)絡(luò)元件、電力電子裝置、分布式電源及各種控制器模型對系統(tǒng)建模(準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型).

系統(tǒng)-裝置特性精細仿真更注重微網(wǎng)局部或設(shè)備更快、更細的特性，以電磁暫態(tài)仿真為核心，關(guān)注問題有如微電電能質(zhì)量、系統(tǒng)控制器設(shè)計、保護與緊急控制系統(tǒng)設(shè)計、故障情況下的暫態(tài)短路電流等.

基于常規(guī)的電網(wǎng)仿真方法的拓展，在微網(wǎng)新形式穩(wěn)定問題、大量新能源分布式發(fā)電并網(wǎng)等問題的研究中漸現(xiàn)不足.模型規(guī)模和計算量龐大、建模復(fù)雜度高使得電磁暫態(tài)仿真難以適用于包括大量變流器、眾多電氣節(jié)點的實際微網(wǎng).機電暫態(tài)仿真則忽略了設(shè)備、電網(wǎng)的電磁暫態(tài)過程.

1.3 非電能源系統(tǒng)仿真

熱能系統(tǒng)是典型的非電能源系統(tǒng)，是國內(nèi)規(guī)劃建設(shè)中能源互聯(lián)微網(wǎng)多能系統(tǒng)重要組成部分.熱力系統(tǒng)設(shè)備多樣、行為特性跨越較寬的時間尺度，模型通過代數(shù)方程、常微分方程和分布參數(shù)偏微分方程描述，能夠覆蓋能源系統(tǒng)建模和仿真解算的關(guān)鍵技術(shù)，具有代表性.

已有熱能系統(tǒng)建模與仿真研究大致可以概括為2個層級：部件-設(shè)備建模與仿真分析、部件-設(shè)備-系統(tǒng)建模與仿真.

1) 部件-設(shè)備層級建模與仿真分析.其主要針對設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備各環(huán)節(jié)設(shè)計和驗證、性能分析、變工況或擾動下設(shè)備運行狀態(tài)模擬、控制特性分析和控制設(shè)計等，建模無需考慮設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)與耦合，針對熱力過程涉及的主要部件，根據(jù)不同需求建立不同詳細程度的模型，部件模型通過關(guān)聯(lián)狀態(tài)量或關(guān)聯(lián)方程聯(lián)立.根據(jù)模型解算結(jié)果分析不同層級的設(shè)備部件行為和特性，可分為靜態(tài)集總參數(shù)、靜態(tài)分布參數(shù)、動態(tài)集總參數(shù)和動態(tài)分布參數(shù)建模與仿真.以吸收式制冷機為例，Herold等人在文獻[20]中給出的集總參數(shù)模型具有代表性，可用于系統(tǒng)的熱力計算，也可用于簡化的設(shè)計計算；靜態(tài)分布參數(shù)模型可計算出制冷劑與溶液在各部件中的分布量.文獻[12,21-22]考慮到系統(tǒng)中工質(zhì)熱容、流動狀態(tài)的差異，分別針對吸收式制冷機中發(fā)生器、換熱器等設(shè)備，建立了更為詳細的模型，大大提高了對系統(tǒng)運行特性描述的準(zhǔn)確性.

2) 部件-設(shè)備-系統(tǒng)層級建模與仿真.其重點傾向設(shè)備-系統(tǒng)一級的過程和問題，包括在系統(tǒng)環(huán)境下設(shè)備選型匹配和協(xié)調(diào)運行、系統(tǒng)和設(shè)備運行特性分析、設(shè)備參數(shù)對系統(tǒng)的影響、系統(tǒng)性能分析、系統(tǒng)在運行條件變化或故障擾動下運行狀態(tài)模擬、系統(tǒng)和設(shè)備控制特性分析和設(shè)計等.該層級的仿真基本不考慮部件本體參數(shù)和工質(zhì)狀態(tài)的差異性，部件-設(shè)備大多采用響應(yīng)特性建模，設(shè)備模型之間通過關(guān)聯(lián)狀態(tài)量或輸入輸出聯(lián)立[22].通過分區(qū)集中模型，一定程度上反映主導(dǎo)的分布參數(shù)的特性.整體上，部件-設(shè)備-系統(tǒng)層級仿真，分為靜態(tài)和動態(tài)2種.

① 設(shè)備-系統(tǒng)靜態(tài)仿真.其考慮系統(tǒng)穩(wěn)定運行工況，靜態(tài)模型可以用于根據(jù)該地區(qū)的氣候狀況和建筑物的使用性質(zhì)等因素，針對系統(tǒng)全年冷熱電負荷的需求量和變化特點，確定系統(tǒng)的配置方案、運行模式和運行方案等，或根據(jù)分時電價以及電力、熱(冷)負荷的變化，對系統(tǒng)運行方案進行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制等.張微微等人[23]建立了鍋爐和3缸汽輪機的集總參數(shù)穩(wěn)態(tài)模型，用于系統(tǒng)定工況和變工況計算；董坤[24]建立了代數(shù)方程描述的熱力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型，并用于能效診斷和經(jīng)濟性評估；張超等人[25]通過60多個非線性代數(shù)方程建立了完整的熱力系統(tǒng)，包括鍋爐、過熱器、再熱器、汽輪機等，并研究采用Powell方法求解；文獻[26]中建立了艦船熱力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型，部分設(shè)備基于機理建模，部分設(shè)備采用特性曲線擬合建模.

② 設(shè)備-系統(tǒng)動態(tài)仿真.其用于分析熱力系統(tǒng)受擾下的暫態(tài)和動態(tài)過程分析、研發(fā)系統(tǒng)的控制策略、系統(tǒng)安全穩(wěn)定性能分析等.王兵樹等人[27-28]建立了蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組和重型燃機組熱力系統(tǒng)的集總參數(shù)的動態(tài)仿真模型，基于系統(tǒng)動態(tài)仿真得到系統(tǒng)動態(tài)特性，可用于機組運行分析、故障診斷、控制開發(fā)和運行人員培訓(xùn)等；羅波[29]以設(shè)備為單元，建立了包含接收器、油罐、管殼式換熱器、蒸汽蓄熱器、汽輪機等設(shè)備的太陽能熱發(fā)電熱力系統(tǒng)的動態(tài)模型并開展動態(tài)特性研究；馬文通[30]、蘇明等人[31]分別針對閥門、透平機系統(tǒng)和鍋爐、閥門、汽輪機、凝汽器系統(tǒng)建立了集總參數(shù)動態(tài)模型，用于系統(tǒng)級仿真，并針對小容積部件模型需要小步長解算的不足提出了時步預(yù)測方法.此外，還有專門針對設(shè)備-系統(tǒng)仿真建模和算法的研究，如文獻[32-33]提及了幾種熱力系統(tǒng)集總參數(shù)動態(tài)建模仿真的精度改進方法，如增加部件分段數(shù)、增加慣性補償方程式等.

與電力系統(tǒng)相比，熱力網(wǎng)規(guī)模不大，設(shè)備、部件數(shù)量有限，因而熱力系統(tǒng)仿真中設(shè)備之間的耦合處理較為直接，通過輸入輸出量和關(guān)聯(lián)狀態(tài)量聯(lián)立，形成更高維數(shù)的代數(shù)方程或微分方程組.對模型方程，通常也采用較直接的、常規(guī)的解算方法，如針對靜態(tài)模型代數(shù)方程組，多采用牛頓法或牛頓改進法[24-26]；針對動態(tài)微分方程組，常采用低階穩(wěn)定性較好的算法求解，如隱式梯形法等[30-31].

1.4 多能系統(tǒng)仿真

在多能系統(tǒng)仿真分析中，冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)是最為典型的、常見的多能系統(tǒng).

在穩(wěn)態(tài)建模仿真及其應(yīng)用方面，已有較為豐富的研究工作.Murai等人[34]基于組件輸入-輸出特性模型為電驅(qū)動式熱泵區(qū)域冷熱聯(lián)供站提出了一種以運行成本為優(yōu)化目標(biāo)的運行控制策略；Buoro等人[35]研究了分布式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的運行優(yōu)化及配置優(yōu)化，仍是基于系統(tǒng)靜態(tài)特性的經(jīng)濟性運行為目標(biāo)；Ono等人[36]為提高區(qū)域系統(tǒng)聯(lián)供站的能源利用率，對供能端設(shè)備的優(yōu)化運行進行了仿真，并表明優(yōu)化運行策略將使得系統(tǒng)能耗和成本分別降低11.0%和8.2%；文獻[37-39]研究了冷熱系統(tǒng)的多目標(biāo)運行化策略和冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行模式.還有針對建?；蚍抡姹旧淼难芯抗ぷ?，如胡忠文等人[40]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了發(fā)電機、微燃機、溴化鋰收式機組模型，可解算出微燃機聯(lián)供系統(tǒng)隨環(huán)境溫度變化的狀態(tài)參數(shù).

多能源系統(tǒng)動態(tài)建模和仿真剛開始起步，有少量初步的工作.上海理工大學(xué)熱工程研究所[41]建立了能源島冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)的數(shù)字、物理混合仿真，實現(xiàn)不同方案能源島系統(tǒng)的運行仿真，為設(shè)計、優(yōu)化微燃機能量聯(lián)供系統(tǒng)提供部件匹配和參數(shù)匹配的指導(dǎo)，優(yōu)化機組啟動過程以及運行控制；中國電力科學(xué)研究院施浩波[42]針對微型燃氣輪機、燃料電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進行建模仿真，分析了聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)過程對接入配電網(wǎng)的影響，包括電壓分布、系統(tǒng)穩(wěn)定性等.

目前，針對熱力、電力、新型分布式發(fā)電等構(gòu)成的多能源系統(tǒng)仿真研究多以靜態(tài)模型、以經(jīng)濟性成本為目標(biāo)的運行方式優(yōu)化為主，而對系統(tǒng)的動態(tài)、暫態(tài)建模、仿真研究則剛開始有所關(guān)注.

2 多能系統(tǒng)特征、仿真要點和難點

2.1 多能系統(tǒng)基本組成及結(jié)構(gòu)

國內(nèi)已積極推進能源互聯(lián)網(wǎng)全方位的探索和規(guī)劃建設(shè)，并在多種能源高效綜合利用規(guī)劃設(shè)計方面已展開一定的工作.在不久的將來，多能系統(tǒng)至少包含電能、熱能和燃料化學(xué)能3種能源形式.在多能系統(tǒng)中，一般將新能源通過能源轉(zhuǎn)化裝置將其轉(zhuǎn)為電能，并通過變流器接入電網(wǎng)，主導(dǎo)電氣特性由變流器決定，因此新能源不單獨作為一種非電能源形式特殊考慮.多能系統(tǒng)基本組成如圖1所示，含大量電力電子裝置的交直流電網(wǎng)將源側(cè)和負荷側(cè)設(shè)備關(guān)聯(lián)耦合在一起，設(shè)備通過電力電子變換器或直接接入交直流電網(wǎng).此外，在某些運行模式下，微電網(wǎng)可能接入常規(guī)輸配電網(wǎng)，當(dāng)能源互聯(lián)微網(wǎng)內(nèi)機組發(fā)電盈余時可并入電網(wǎng)，也可轉(zhuǎn)化為冷熱儲存，當(dāng)機組滿足不了用戶端冷、熱、電負荷時，可從電網(wǎng)購得電能.典型的熱力系統(tǒng)包括熱電聯(lián)產(chǎn)機組、微型燃氣輪機、熱力設(shè)備、制冷機、儲熱蓄冷設(shè)備等，通過熱力暖通管網(wǎng)將熱能輸送至熱負荷；同時也可通過電熱轉(zhuǎn)換裝置獲得熱能.

Fig. 1 Structure of multi-energy system圖1 多能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能源間耦合關(guān)聯(lián)如圖1所示，電力交直流微電網(wǎng)、熱力暖通管網(wǎng)和化學(xué)能燃料管網(wǎng)(氣網(wǎng))3種能源網(wǎng)將多種能源設(shè)備關(guān)聯(lián)形成一張混合能源網(wǎng).電網(wǎng)、熱力網(wǎng)通過三聯(lián)供機組、微型燃氣輪機、發(fā)電機和電制冷機等設(shè)備關(guān)聯(lián)、耦合.在能源互聯(lián)網(wǎng)中，需求側(cè)管理和需求響應(yīng)負荷使得熱、電系統(tǒng)在負荷側(cè)又建立關(guān)聯(lián)和耦合，這種關(guān)聯(lián)不僅是穩(wěn)態(tài)能量轉(zhuǎn)化和交換，也存在于在動態(tài)、暫態(tài)時間尺度.隨著熱力系統(tǒng)規(guī)模減小，其動態(tài)響應(yīng)時間常數(shù)也在減小，與電網(wǎng)中長期動態(tài)過程時間常數(shù)發(fā)生重疊，甚至深入到機電暫態(tài)過程響應(yīng)頻段，熱、電系統(tǒng)和設(shè)備之間存在動態(tài)、暫態(tài)耦合.在冷熱電三聯(lián)供機組中，一部分燃氣在燃氣輪機燃燒后驅(qū)動發(fā)電機組發(fā)電，同時排出的高溫?zé)煔饪赏ㄟ^余熱鍋爐制得乏汽進行發(fā)電，或者直接制得熱水加以利用；另一部分燃氣在三聯(lián)供機組供應(yīng)不足時通過驅(qū)動備用鍋爐來制取熱水進行供冷或供熱.跨能源動態(tài)、暫態(tài)耦合的另一路徑則是化學(xué)能燃料管網(wǎng)[43]，如通過燃氣鍋爐、微型燃氣輪機、燃料電池這些將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、電能的能源轉(zhuǎn)化設(shè)備，熱能、電能、化學(xué)能3種能源網(wǎng)關(guān)聯(lián)和耦合.

Fig. 2 Dynamic response time constant distribution of multi-energy system[46-47]圖2 多能系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時間常數(shù)分布[46-47]

2.2 多能系統(tǒng)寬時間尺度特征

已有研究工作以設(shè)備為單元分析總結(jié)了常規(guī)電力系統(tǒng)[44-45]、微電網(wǎng)[19]受擾和控制干預(yù)下響應(yīng)時間常數(shù)范圍.不考慮某些器件層級快速而細致的物理過程，如電力電子開關(guān)器件的開關(guān)瞬態(tài)，電能涉及的受擾物理過程及其控制干預(yù)，粗略地可將響應(yīng)時間分為微秒至若干秒的暫態(tài)過程和十幾秒至幾十分鐘的中長期過程[46-47].

進一步補充熱力、燃料管網(wǎng)設(shè)備動態(tài)和暫態(tài)過程的時間尺度，與電力系統(tǒng)、微電網(wǎng)合并，得到典型能源互聯(lián)微網(wǎng)多能源系統(tǒng)的動態(tài)、暫態(tài)、中長期過程響應(yīng)時間常數(shù)范圍，如圖2所示:

可見多能源系統(tǒng)全部設(shè)備響應(yīng)時間跨度很大，從電力系統(tǒng)變流器高頻開關(guān)電路的電磁暫態(tài)微秒級過程，跨越到熱力系統(tǒng)設(shè)備中熱交換的幾十分鐘到數(shù)小時的過程.整體上，電能、熱能與化學(xué)能的動態(tài)設(shè)備元件時間尺度在2個范圍內(nèi)有重疊：

1) 在幾秒到若干分鐘的范圍，物理過程涉及電網(wǎng)發(fā)電原動機、調(diào)速裝置、發(fā)電機機械慣性、設(shè)備過熱保護和限制、機械開關(guān)動作、自動發(fā)電控制、暫態(tài)切負荷、系統(tǒng)中長期過程等，涉及熱力系統(tǒng)中微型燃氣輪機啟動、鍋爐動態(tài)、儲熱蓄冷和換熱器熱交換過程等，涉及燃料管網(wǎng)燃料供給動態(tài)過程.

2) 在幾十分鐘到數(shù)小時的范圍，主要涉及電力、熱力系統(tǒng)中負荷調(diào)整及人員干預(yù)過程.

同一能源系統(tǒng)設(shè)備間的耦合不難理解，不同類型能源系統(tǒng)和設(shè)備間在上述2個時間尺度的耦合，至少通過如下3個途徑：

1) 電力、熱力系統(tǒng)、燃氣管網(wǎng)在能量源測中存在緊密耦合，鍋爐、微型燃氣輪機一部分熱能驅(qū)動透平機，帶動發(fā)電機發(fā)電，另一部分熱能進入熱力網(wǎng)供熱、制冷或儲存；

2) 熱電、燃料電池等發(fā)電設(shè)備，在燃料供給側(cè)耦合，同時這些設(shè)備將電網(wǎng)、熱力管網(wǎng)耦合在一起；

3) 熱、電負荷功率變化導(dǎo)致的熱力、電力網(wǎng)在幾十分鐘到若干小時時間尺度上的耦合, 屬于較慢響應(yīng)過程的耦合.

前2種耦合在幾秒到若干分鐘時間尺度上耦合，屬于較快響應(yīng)過程的耦合.多能系統(tǒng)設(shè)備在寬時間尺度上耦合，給仿真模型解算帶來了困難.一般地，響應(yīng)快速的設(shè)備和子系統(tǒng)需要小步長解算，以保證算法收斂性和精度.電能系統(tǒng)小時間尺度的設(shè)備部件模型解算需要幾十微秒甚至更小的解算步長，若全系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型采用同一步長進行解算，增加了運算量，降低仿真速度和限制仿真規(guī)模；若采用多種步長，尚未有成熟完善的數(shù)值算法保證模型解算的有效性和精度.

2.3 不同能源網(wǎng)機理差異、建模和解算差異

不同形式能源的設(shè)備、設(shè)備耦合形成系統(tǒng)的機理存在本質(zhì)差異，建模和解算采用不同的方法，增加了多能系統(tǒng)建模和聯(lián)立解算的困難有3種情況：

1) 設(shè)備-設(shè)備、設(shè)備-網(wǎng)耦合建模及解算

電力系統(tǒng)主體是由發(fā)電機及其勵磁和調(diào)速控制、輸配電網(wǎng)絡(luò)、電力電子裝置和負荷等組成.電力系統(tǒng)的一次設(shè)備元件往往通過電網(wǎng)關(guān)聯(lián)耦合，在電磁暫態(tài)仿真和機電暫態(tài)仿真中，設(shè)備元件通過電網(wǎng)耦合，并通過“機網(wǎng)接口”并入整個電網(wǎng)，實現(xiàn)設(shè)備和電網(wǎng)模型的聯(lián)立求解.以發(fā)電機為例，端電壓和電流經(jīng)坐標(biāo)變換，與同步坐標(biāo)下網(wǎng)絡(luò)方程接口并聯(lián)立求解，其轉(zhuǎn)子角用于發(fā)電機dq坐標(biāo)下電量和網(wǎng)絡(luò)xy同步坐標(biāo)下電量間的接口[48].

而熱力系統(tǒng)規(guī)模相對較小，設(shè)備數(shù)量有限，設(shè)備-設(shè)備之間的耦合較為直接，在仿真中設(shè)備模型多采用關(guān)聯(lián)方程或關(guān)聯(lián)參量聯(lián)立.

這種設(shè)備-系統(tǒng)和設(shè)備-設(shè)備的耦合模式，導(dǎo)致模型解算方法的差異.在每個時步解算中，對前者各設(shè)備和動態(tài)元件模型可以分開獨立解算，模型解通過機網(wǎng)接口并入系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò))方程求解中，并進行聯(lián)立求解；對后者，各個設(shè)備和動態(tài)元件的模型直接聯(lián)立形成更高維的模型，全系統(tǒng)聯(lián)立統(tǒng)一求解或在算法層級設(shè)計分步解算方法.

2) 強非線性代數(shù)方程

能源網(wǎng)和設(shè)備的動態(tài)模型包括微分方程和代數(shù)方程2部分，其中非線性因素主要存在于代數(shù)方程中，是能源系統(tǒng)模型求解的難點.模型解算是否收斂和收斂快慢依賴方程未知數(shù)初值、迭代算法和加速收斂方法等因素.不同能源系統(tǒng)模型非線性來源和處理均有著明顯的差異.

對電能，電網(wǎng)往往通過稀疏線性方程建模，或動態(tài)集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件經(jīng)差分化后的線性網(wǎng)絡(luò)方程；非線性主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)變拓撲，特別是電力電子變換器的電路，拓撲結(jié)構(gòu)變化頻繁，需在仿真中重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)方程，開關(guān)動作依賴于開關(guān)電路狀態(tài)，開關(guān)動作時間并非恰好在整步長，因而需要引入插值或補償機制[49-51].對于其他非線性代數(shù)方程描述的設(shè)備元件模型，如非線性靜負荷，一般根據(jù)母線電壓將方程轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)注入電流，并與網(wǎng)絡(luò)方程迭代求解.

熱力系統(tǒng)動態(tài)模型非線性代數(shù)方程主要有：壓氣機、透平部件工作特性，換熱器的換熱方程(換熱溫差乘面積)，設(shè)備、系統(tǒng)總?cè)莘e方程，物性方程等.一般地，這些方程聯(lián)立成高階非線性方程組，通過牛頓法及改進方法[24-25]解算.

可見，不同能源系統(tǒng)的非線性特性來源和建模存在顯著差異，處理和解算方法存在本質(zhì)差異，因而不宜將混合能源網(wǎng)模型的全部代數(shù)方程聯(lián)立在一起求解.

3) 能源系統(tǒng)動態(tài)元件長過程狀態(tài)質(zhì)變和多物理融合

熱力系統(tǒng)中工質(zhì)狀態(tài)變化，如固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之間轉(zhuǎn)化，其特性會發(fā)生非光滑連續(xù)的變化或顯著的變化.如吸收式制冷系統(tǒng)開機過程中，發(fā)生器溶液被加熱直到飽和溫度，認為自然對流換熱；而后蒸汽開始發(fā)生.對這種情況，用一組模型方程往往難以正確描述多個階段變化的物理過程.

電力系統(tǒng)中某些非線性動態(tài)元件多尺度物理過程重疊，給建模和模型參數(shù)獲取帶來了實質(zhì)困難.如系統(tǒng)仿真中同步發(fā)電機基于Park變換的dq0坐標(biāo)下的電氣方程，以定、轉(zhuǎn)子電路的電阻和電感作為參數(shù)[52].雖然方程和這些參數(shù)基本決定了電機的電氣特性，但這些參數(shù)難以通過直接測得的電機響應(yīng)來確定，使得模型不具備實用和應(yīng)用價值.

可見，能源元件設(shè)備本身的長動態(tài)過程中工質(zhì)狀態(tài)質(zhì)變、多尺度物理過程重疊融合等，增加了系統(tǒng)建模仿真的難度，在設(shè)備-系統(tǒng)層級仿真中難以建立一套能夠適應(yīng)全動態(tài)過程的模型.

3 階段化多模式混合仿真

3.1 基本思想

第1節(jié)已充分總結(jié)微電網(wǎng)、非電能源網(wǎng)和多能源網(wǎng)仿真工作進程，常規(guī)電網(wǎng)、微電網(wǎng)和以熱能為代表的非電能源系統(tǒng)已有較好的模型基礎(chǔ)，各能源系統(tǒng)和設(shè)備模型解算算法相對成熟.為了利用和借鑒已有的能源系統(tǒng)仿真工作和基礎(chǔ)，開發(fā)組建多能系統(tǒng)的設(shè)備-系統(tǒng)層級仿真，本節(jié)概括提出階段化多模式混合仿真方法，給出其基本思想和關(guān)鍵技術(shù)，如圖3所示:

Fig. 3 The method of phased and multi-mode hybrid simulation圖3 多模式階段化混合仿真思路

階段化混合仿真針對能源系統(tǒng)動態(tài)元件長過程狀態(tài)質(zhì)變和多物理過程融合，難以通過一組方程對動態(tài)元件準(zhǔn)確建模這一難點，將一個動態(tài)過程分解為若干階段，分別建立動態(tài)模型并解算.動態(tài)過程階段劃分可以依據(jù)：

1) 工質(zhì)狀態(tài)質(zhì)變，如工質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖夯旌蠎B(tài)，這個過程工質(zhì)狀態(tài)量和特性有顯著變化，可將工質(zhì)狀態(tài)質(zhì)變前后劃分為不同階段；

2) 設(shè)備部件動態(tài)過程包含響應(yīng)速度在較寬范圍變化的物理過程，可根據(jù)主導(dǎo)分量衰減所需時間劃分動態(tài)過程的各個階段.

多能系統(tǒng)寬時間尺度特性和不同能源系統(tǒng)機理差異帶來的建模和解算方法差異(設(shè)備-設(shè)備、設(shè)備系統(tǒng)耦合、非線性因素等)給多能系統(tǒng)仿真帶來實質(zhì)困難.對此，多模式混合仿真方法將完整的多能系統(tǒng)在空間上分割為多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)采用適合各自能源形式模型的解算方法求解，在子系統(tǒng)仿真求解中，其他部分在分割邊界進行等值，并以特定的步長交換分割邊界的計算條件和參數(shù)，例如電網(wǎng)的電磁暫態(tài)、機電暫態(tài)混合仿真[53].多能系統(tǒng)空間分割可依據(jù)：

1) 設(shè)備和局部系統(tǒng)所關(guān)注的物理過程時間尺度大小，將響應(yīng)時間跨度相近的設(shè)備和局部系統(tǒng)劃分在一起.如電力系統(tǒng)中直流電網(wǎng)、大容量電力電子設(shè)備、需要詳細測試分析的局部電網(wǎng)等，采用電磁暫態(tài)模式建模和仿真；而常規(guī)電網(wǎng)、一般發(fā)電機組和負荷等，采用機電暫態(tài)模式建模和仿真；

2) 不同能源系統(tǒng)和設(shè)備，因采用差異較大的建模和模型解算方法，如電力和熱力系統(tǒng)的設(shè)備-設(shè)備、設(shè)備系統(tǒng)耦合、非線性因素處理等，應(yīng)分別建立能源子網(wǎng)模型，并通過多模式混合仿真方法接口聯(lián)立.

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

階段化多模式混合仿真方法的關(guān)鍵技術(shù)分為：多能系統(tǒng)階段化建模方法和分階段模型過渡解算算法的實現(xiàn)，及能源互聯(lián)網(wǎng)多模式混合仿真接口的實現(xiàn).

1) 多能系統(tǒng)階段化建模方法和分階段模型過渡解算算法

① 有效抽象和提煉設(shè)備元件主導(dǎo)動態(tài)過程，準(zhǔn)確劃分工質(zhì)質(zhì)變分界點和多時間尺度物理過程衰減所需時間，可作為階段劃分的依據(jù).

② 建立動態(tài)元件的各階段動態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型，建立動態(tài)元件不同響應(yīng)速率階段的數(shù)學(xué)模型.

③ 階段化模型仿真解算算法，在各階段模型準(zhǔn)確解算的同時，保證相鄰2個階段有效銜接.

針對工質(zhì)質(zhì)變的階段化模型，工質(zhì)物性方程可用于銜接相鄰2個階段模型解.針對多時間尺度物理過程融合，可通過建模方法確保有效銜接各個階段模型的解：通過若干不同響應(yīng)速度的線性動力系統(tǒng)模型的解的疊加來近似多時間尺度物理過程.

2) 能源互聯(lián)網(wǎng)多模式混合仿真接口技術(shù)

① 多能系統(tǒng)空間網(wǎng)絡(luò)化分

根據(jù)多能系統(tǒng)空間分割的依據(jù)進行能源網(wǎng)混合仿真的子系統(tǒng)劃分，此外，仿真關(guān)注度高的局部系統(tǒng)和設(shè)備可放入時間尺度小的子網(wǎng)，進行更詳細、更快響應(yīng)速度的求解物理過程.

② 子網(wǎng)解算時外網(wǎng)等效建模

多模式混合仿真中，每個子系統(tǒng)計算過程中，其余部分在系統(tǒng)分割位置處等效建模，分割接口等效模型應(yīng)能夠反映能源系統(tǒng)能量動態(tài)交換物理過程和交互作用機理，能夠考慮模型方程類型差異、解算算法和步長的差異.如直流電網(wǎng)電磁暫態(tài)、常規(guī)交流電網(wǎng)機電暫態(tài)、熱動力設(shè)備慣性容積動態(tài)響應(yīng)3種模式仿真子網(wǎng)模型間接口等效.響應(yīng)快速的子網(wǎng)向慢速響應(yīng)的子網(wǎng)等效，應(yīng)提取低頻段物理特性；響應(yīng)慢速的子網(wǎng)向響應(yīng)快速的子網(wǎng)等效，除低頻段物理特性外，應(yīng)根據(jù)需要補充中高頻段關(guān)鍵物理過程在分網(wǎng)端口的等效特性.

③ 仿真計算與分網(wǎng)接口交互時序

多模式模塊化模型聯(lián)立求解的時序流程，包括仿真主流程、子系統(tǒng)間等效參數(shù)和接口邊界量交互時序控制、各仿真模塊同步.

多能系統(tǒng)以微電網(wǎng)為核心，拓展了熱力系統(tǒng)、燃料管網(wǎng)，并以輸配電網(wǎng)為靠背，多模式混合仿真在時序設(shè)計中也應(yīng)以電網(wǎng)、微電網(wǎng)為多能系統(tǒng)模型聯(lián)立解算的協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)，利于控制計算時序，加速收斂.

3.3 模型仿真結(jié)果分析方式

微電網(wǎng)仿真和非電能源仿真領(lǐng)域均有相應(yīng)的發(fā)展，為多能系統(tǒng)仿真提供了模型基礎(chǔ).因此對于系統(tǒng)中常規(guī)環(huán)節(jié)、部件，當(dāng)前已經(jīng)有較為豐富的模型可借鑒；針對系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)、部件，根據(jù)采用本文提出的階段化多模式仿真理論進行建模，重點考慮其外部特性與多能源系統(tǒng)各子系統(tǒng)仿真平臺中模型特性做對比分析.另外，對于系統(tǒng)中較易測試的特征量值，可結(jié)合實驗實測值對仿真模型進行相應(yīng)考量.

構(gòu)建典型多能系統(tǒng)案例，電網(wǎng)部分仿真與商業(yè)參考程序基本一致；據(jù)了解目前非電能源網(wǎng)系統(tǒng)級動態(tài)仿真軟件較少，因此，重點考慮其合理有效性.

4 典型案例

圖4給出了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)典型場景，進行基于多能系統(tǒng)的階段化多模式構(gòu)型的說明.

Fig. 4 Typical example of cold combined heat and power system圖4 典型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機、燃氣輪機經(jīng)過電力變換裝置將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，相?yīng)的直流電網(wǎng)、大容量電力電子設(shè)備采用電磁暫態(tài)模式建模和仿真，如果不需要詳細的研究發(fā)電機、風(fēng)力發(fā)電機、電力儲能等裝置特性，可采用機電暫態(tài)模型進行仿真測算；熱力及相應(yīng)的負荷，應(yīng)建立其相應(yīng)的中長期動態(tài)過程模型；另外，由于電力網(wǎng)與熱力網(wǎng)運行機理的差異性，還可考慮其他的建模方式.由于不同能源系統(tǒng)和設(shè)備，建模和模型解算方法差異性較大，宜劃分建立不同的能源網(wǎng)絡(luò)，并通過多模式混合仿真方法接口聯(lián)立，此系統(tǒng)中，如將能源轉(zhuǎn)換為電能和熱能的燃氣輪機，將熱轉(zhuǎn)換為冷的制冷機，將電能轉(zhuǎn)換為熱、冷的制熱、制冷裝置等.

分階段建模在該系統(tǒng)中應(yīng)用也是廣泛存在的，如相變儲能中工質(zhì)在融化或凝固過程，對于固相區(qū)域，熱量以熱傳導(dǎo)方式傳遞；對于液相區(qū)域，熱量除了以熱傳導(dǎo)方式傳遞外，還可能會以對流方式傳遞.再如，發(fā)電機的動態(tài)、暫態(tài)模型中會考慮其次暫態(tài)過程和暫態(tài)過程，次暫態(tài)過程即為相對快過程，而暫態(tài)過程為相對慢過程.

5 總 結(jié)

能源互聯(lián)微網(wǎng)中多能系統(tǒng)動態(tài)、暫態(tài)特性和穩(wěn)定性能作為能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計、穩(wěn)定高效運行、優(yōu)化調(diào)控、新型設(shè)備研發(fā)測試等生產(chǎn)和科研分析計算的基礎(chǔ)，逐漸引起業(yè)內(nèi)關(guān)注.

電網(wǎng)、微電網(wǎng)和熱力等非電能源設(shè)備-系統(tǒng)層級的建模和仿真是多能系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，包括穩(wěn)態(tài)分析、系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定特性仿真和系統(tǒng)-裝置級行為特性精細模擬的電磁暫態(tài)仿真，后2種仿真模式各有優(yōu)勢，也各有局限.現(xiàn)有熱力系統(tǒng)仿真規(guī)模不大，設(shè)備、部件數(shù)量有限，往往一套大型設(shè)備即為一個獨立的熱力系統(tǒng).多能系統(tǒng)的動態(tài)建模和仿真剛剛起步，有少量初步的工作，如三聯(lián)供系統(tǒng)、微型燃氣輪機和燃料電池聯(lián)合發(fā)電等.

現(xiàn)有的電力、熱力及多能源系統(tǒng)建模和仿真工作為多能系統(tǒng)的動態(tài)、暫態(tài)仿真提供了一定的基礎(chǔ)，特別是部件和設(shè)備的模型.然而能源互聯(lián)網(wǎng)的多能系統(tǒng)具有動態(tài)過程覆蓋時間尺度寬廣、不同類型能源設(shè)備和系統(tǒng)耦合與交互影響的特點，不同能源網(wǎng)機理差異造成的建模仿真的差異，包括設(shè)備-設(shè)備和設(shè)備-網(wǎng)耦合機理及其建模解算、強非線性代數(shù)特性建模、動態(tài)元件長過程中狀態(tài)質(zhì)變和多物理過程融合.這是多能系統(tǒng)動態(tài)、暫態(tài)仿真的根本難點.

針對多能系統(tǒng)特點及仿真難點，本文提出了階段化多模式混合仿真的思想及技術(shù)框架，階段化混合仿真針對能源系統(tǒng)動態(tài)元件長過程狀態(tài)質(zhì)變和多物理過程融合，將一個動態(tài)過程分解為若干階段，分別建立動態(tài)模型并解算；而多模式混合仿真將完整的能源系統(tǒng)分割為多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)采用合適的算法求解，子系統(tǒng)間再通過混合仿真接口聯(lián)立.階段化多模式混合仿真能夠利用已有的能源系統(tǒng)仿真建模工作和基礎(chǔ)，開發(fā)組建多能系統(tǒng)的設(shè)備-系統(tǒng)層級仿真.最后，本文結(jié)合典型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，針對性地說明了階段化多模式混合仿真技術(shù)在多能系統(tǒng)中的應(yīng)用.