基于能量樞紐的能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同運行關鍵技術研究

南鈺，鄭罡，王方蘇，王軍亭

[摘? ? 要]隨著以風電、光伏、冷熱電聯(lián)供、儲能為代表的分布式能源資源高滲透接入，如何通過增強源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)互動，充分調(diào)動多方積極性，使綜合能源系統(tǒng)更加高效、低碳、智能，已成為世界范圍內(nèi)廣泛關注的研究領域。文章從技術角度分析能量樞紐的能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同運行問題，以期提高能源應用效能，為多能源利用和社會可持續(xù)發(fā)展提供研究基礎。

[關鍵詞]能量樞紐;綜合能源系統(tǒng);協(xié)同運行;優(yōu)化調(diào)度;需求響應

[中圖分類號]TM73 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–0–02

Research on Key Technologies of Energy Internet

Collaborative Operation based on Energy Hub

Nan Yu，Zheng Gang，Wang Fang-su，Wang Jun-ting

[Abstract]With the high penetration access of distributed energy resources represented by wind power， photovoltaic， cogeneration and energy storage， how to enhance the coordination and interaction of source network loads， fully mobilize the enthusiasm of various parties， and make the integrated energy system more efficient， low-carbon and intelligent has become a research field of widespread concern in the world. This paper analyzes the coordinated operation of energy Internet in energy hub from the perspective of technology， in order to improve energy application efficiency and provide a research basis for multi energy utilization and social sustainable development.

[Keywords]energy hub; integrated energy system; cooperative operation; optimal scheduling; demand response

在能源技術蓬勃發(fā)展的當前，冷熱氣及分布式能量接入配電網(wǎng)進行就地消納是最有效的利用方式，存在廣闊應用前景[1]。從能源利用的角度來看，配電網(wǎng)中能夠參與互動響應的資源數(shù)量迅速上升，技術不完善模式下建立的配電網(wǎng)逐步產(chǎn)生一些問題，如發(fā)電能量及分布式發(fā)電滲透率受限。因此，為有效促進多能源的高效應用，需要不斷提升配電網(wǎng)及多能源網(wǎng)絡互協(xié)技術，為多能源利用和社會可持續(xù)發(fā)展提供研究基礎。

1 基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)運行機理

1.1 能量樞紐

隨著以風電、光伏、冷熱電聯(lián)供、儲能為代表的分布式能源資源高滲透接入，如何通過增強源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)互動，充分調(diào)動多方積極性，使綜合能源系統(tǒng)更加高效、低碳、智能，已成為世界范圍內(nèi)廣泛關注的研究領域。微電網(wǎng)、智能配用電系統(tǒng)、主動配電網(wǎng)等技術概念應運而生，共性地指出了未來配用電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，即考慮多方訴求，通過多源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃、“源—網(wǎng)—儲—荷”的穩(wěn)定控制與協(xié)調(diào)優(yōu)化，實現(xiàn)安全穩(wěn)定與可靠性要求下的清潔能源最大化消納[2]。

能源樞紐（Energy Hub， EH）是儲能、冷熱電聯(lián)供、負荷等多種用能形態(tài)的集合體，是構建綜合能源系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，近年來逐漸受到電力行業(yè)的重視。作為一種輸入—輸出的雙端口模型，能源樞紐的作用在于對多能源系統(tǒng)中耦合關系、符合需求、能源供應、網(wǎng)絡交換等問題進行描述，能夠分析和規(guī)劃多能源系統(tǒng)。它的另一個作用還在于對多能源進行轉(zhuǎn)換，且在多能源綜合管理中體現(xiàn)出不同能源的互通互聯(lián)性，能夠確保能源從生產(chǎn)到消費的運營自由，突破了原有的能源運營壁壘。

1.2 電/氣/熱綜合能源系統(tǒng)

電—氣—熱綜合能源系統(tǒng)典型結構如圖1所示。為實現(xiàn)多能源網(wǎng)絡互聯(lián)的協(xié)同運行，需要對冷/熱/氣的冷熱電三聯(lián)供的典型特性進行調(diào)研并建立特性模型。在模型建立時，要掌握對各種供能設備的作用以及冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型是將各種供能設備、負荷、能量轉(zhuǎn)換裝置（如制冷機、燃氣機等）以及冷熱電儲能裝置等匯集在一起的配備保護裝置的綜合能源網(wǎng)絡系統(tǒng)。

區(qū)域能量管理系統(tǒng)（EMS）通過信息流調(diào)控能量流，保障微電網(wǎng)運行的安全高效。能源結構如圖2所示。

綜合性的電氣熱能源系統(tǒng)，它的特定負荷能夠確保多種能源需求得到滿足，也使單一能源網(wǎng)絡供應不在是負荷需求唯一能依賴的方式。而單純考量電力的需求響應無法有效實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的供需優(yōu)化協(xié)調(diào)，僅考慮電力資源調(diào)控模型與調(diào)控方法不能滿足綜合需求響應的技術要求。本文從用戶側(cè)綜合需求響應角度出發(fā)，最大限度地挖掘電/氣/熱多種能源的響應潛力，通過綜合需求響應達到能源樞紐供需協(xié)調(diào)優(yōu)化的效果。

基于EH多能源協(xié)同的特性，除了考慮EH參與電網(wǎng)的需求響應，還考慮EH電/熱/冷多種類型用戶的需求響應行為以及氣網(wǎng)非hub用戶的需求響應行為。其中，冷/熱資源在EH內(nèi)部發(fā)生轉(zhuǎn)移與交換，而氣網(wǎng)響應用戶通過EH中的CHP參與綜合需求響應。根據(jù)需求響應機制和負荷需求，構建綜合能源樞紐優(yōu)化運行目標，并進行優(yōu)化求解。

通過基于能量樞紐的區(qū)域能量管理系統(tǒng)能夠促進更多地冷熱氣以及分布式能源項目接入配電網(wǎng)中，提升運行效率，降低配網(wǎng)因多能源接入的故障率，促進新能源消納，優(yōu)化能源結構。

2 基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)協(xié)同運行控制技術

2.1 基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)正常態(tài)協(xié)同運行技術

本文以提升綜合能源系統(tǒng)對網(wǎng)內(nèi)分布式新能源發(fā)電的就地消納能力，降低系統(tǒng)運行過程造成的電能損耗，促進終端用戶對綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化的主動參與，挖掘各能源單元的使用潛力，提升綜合能源利用水平為建設運行目標?；谀芰繕屑~的綜合能源系統(tǒng)協(xié)同運行控制包括調(diào)節(jié)可控分布式電源出力、調(diào)整儲能原件負荷與柔性負荷，以及通過操作聯(lián)絡幵關改變網(wǎng)絡拓撲結構等優(yōu)化方式。

基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)的多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度策略依據(jù)的是綜合能源系統(tǒng)中各能源單元的實時運行數(shù)據(jù)，通過分析各種發(fā)電元件和負荷元件在時間和空間上的關聯(lián)性和互補性，運用調(diào)節(jié)發(fā)電處理、優(yōu)化電網(wǎng)接線方式、調(diào)整負荷等調(diào)度手段，以系統(tǒng)整體運行成本最低化為目標，實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化運行。

2.2 基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)緊急態(tài)穩(wěn)定運行技術

由于電網(wǎng)電壓的箝位作用，風電、光伏、儲能、熱電耦合設備以電流源形式運行。在出現(xiàn)電網(wǎng)故障、非計劃孤島等緊急態(tài)下，基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)獨立自治運行，為保證對電熱等負載的不間斷供能，組網(wǎng)能源單元需要實現(xiàn)并網(wǎng)/離網(wǎng)的無縫切換功能，為重要負載提供穩(wěn)定的電壓支撐、保障系統(tǒng)整體的安全可靠供能。在此基礎上，從離網(wǎng)到并網(wǎng)切換時，需要調(diào)整組網(wǎng)能源單元的逆變電壓與電網(wǎng)電壓一致，盡量降低系統(tǒng)并網(wǎng)沖擊;從并網(wǎng)到離網(wǎng)切換時，需要鎖定切換前的電熱等負載電壓的相位、幅值，以使得離網(wǎng)后的系統(tǒng)電壓快速平穩(wěn)，避免出現(xiàn)較大波動。

無縫切換技術（SeamLess Transition）建立包括功率環(huán)、濾波電容電壓環(huán)和濾波電感電流環(huán)的組網(wǎng)能源單元三環(huán)穩(wěn)定運行技術，分析三環(huán)控制策略在穩(wěn)定控制和離網(wǎng)/并網(wǎng)模式無縫切換過程中的控制過程。在離網(wǎng)運行模式的濾波電容電壓環(huán)、濾波電感電流環(huán)的基礎上，并網(wǎng)模式增加功率外環(huán)，由給定的有功功率P、無功功率Q指令依次控制兩個內(nèi)環(huán)。整個穩(wěn)定運行技術采用比例-積分（Proportional Integral）控制器以抑制并網(wǎng)/離網(wǎng)切換過程中產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊，并引入電壓前饋控制提高控制系統(tǒng)的抗擾動能力，進而有效實現(xiàn)基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)緊急態(tài)穩(wěn)定運行。

3 基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法

3.1 基于潮流的網(wǎng)絡分析方法

分布式電源接入配電網(wǎng)后，由于潮流的變化會給配電網(wǎng)的節(jié)點電壓、電能質(zhì)量、網(wǎng)損以及可靠性帶來不利的影響。通過配置儲能系統(tǒng)，利用其快速的響應能力，可以在一定程度上緩解大規(guī)模分布電源接入所帶來的問題。但由于配電網(wǎng)網(wǎng)架結構，各個節(jié)點上的負荷水平以及線路阻抗的不同，不同容量的儲能系統(tǒng)接在不同的節(jié)點上其功能的發(fā)揮水平也會不同。因此為了尋求技術和經(jīng)濟上的最優(yōu)方案，必須從電力系統(tǒng)角度出發(fā)，通過計算區(qū)域配電網(wǎng)的有功、無功潮流，來對儲能系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的安裝容量和安裝地點進行配置。

3.2 多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型及系統(tǒng)設計

綜合能源系統(tǒng)利用多種能源形式和供需關系差異解決了可再生能源利用與能源效率問題。在綜合能源系統(tǒng)中由于存在可控、可調(diào)的分布式發(fā)電單元作為可調(diào)度資源，可以為配電網(wǎng)提供電能。而儲能、電動汽車充電站既可作為負荷側(cè)資源，又可作為電源側(cè)資源參與配電網(wǎng)調(diào)度，因而配電網(wǎng)成了可以雙向調(diào)度電能的主動型配電網(wǎng)。主動配電網(wǎng)多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度問題主要是研究網(wǎng)內(nèi)可控電源、間歇性電源以及儲能單元的優(yōu)化調(diào)度。調(diào)度目標包括配電網(wǎng)總成本盡可能低、可再生能源的利用率盡可能高、環(huán)境壓力盡可能小。

本文設計的綜合能源優(yōu)化調(diào)度管理系統(tǒng)從主站信息平臺獲取電網(wǎng)電價、經(jīng)濟、環(huán)保、天氣等信息，結合電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)，根據(jù)預設的調(diào)控目標制定優(yōu)化策略，實現(xiàn)電網(wǎng)的優(yōu)化控制。

依據(jù)電力儲能、蓄熱和蓄冷設備的儲能能力與互補特性，建立 CASE管理模型。利用主動配電網(wǎng)多時間尺度的能源協(xié)同優(yōu)化控制技術，協(xié)同優(yōu)化技術結合功率預測、長時間尺度調(diào)度方法、短時間尺度調(diào)度修正策略以及實時控制策略，實現(xiàn)各發(fā)電單元與需求側(cè)負荷的高峰、低谷的實時平衡互補，實現(xiàn)多能源系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化運行，提高主動配電網(wǎng)的綜合能源利用效率。

綜合能源系統(tǒng)是采用多能耦合技術，通過冷熱電的相互轉(zhuǎn)化，結合相應的儲能設備，保證區(qū)域冷、熱、電負荷的穩(wěn)定供應，同時提高新能源消納能力。不同時間特性與差異場景下的能源出力是不同的，需要采用燃氣發(fā)電技術、冷熱循環(huán)路徑技術以及余熱回收技術與熱/電能量存儲方法，能夠?qū)崿F(xiàn)有最優(yōu)能源供給與最低能源損耗約束條件下，實現(xiàn)基于冷/熱/氣等多能源網(wǎng)絡的能源高效梯級利用。

4 總結

基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)通過多種類型能源的耦合聯(lián)動，極大地豐富了需求響應的參與主體與參與時間，大大擴展了傳統(tǒng)電力需求響應的市場寬度、時間尺度與地理維度，能夠促進更多地冷熱氣以及分布式能源項目接入配電網(wǎng)中，提升運行效率，有利于促進多種能源的高效利用，促進新能源消納，優(yōu)化能源結構，降低建設成本，提高能源綜合利用率和盈利水平，具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 程浩忠，胡梟，王莉，等.區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2019， 43（7）： 1-13.

[2] 邵麗敏.面向可靠性與安全性的微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)研究[D].上海：上海交通大學，2014.