能源互联网背景下的典型区域综合能源系统稳态分析研究综述

第36卷第12期中国电机工程学报Vol.36No.12Jun.20,201632922016年6月20日ProceedingsoftheCSEE©2016Chin.Soc.forElec.Eng.DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.152858文章编号：0258-8013(2016)12-3292-14中图分类号：TM71能源互联网背景下的典型区域综合能源系统稳态分析研究综述王伟亮1，王丹1，贾宏杰1，陈沼宇1，郭炳庆2，周海明2，范孟华3(1．天津大学智能电网教育部重点实验室，天津市南开区300072；2．中国电力科学研究院，北京市海淀区100192；3．国网能源研究院，北京市昌平区102209)ReviewofSteady-stateAnalysisofTypicalRegionalIntegratedEnergySystemUndertheBackgroundofEnergyInternetWANGWeiliang1,WANGDan1,JIAHongjie1,CHENZhaoyu1,GUOBingqing2,ZHOUHaiming2,FANMenghua3(1.KeyLaboratoryofSmartGridofMinistryofEducation,TianjinUniversity,NankaiDistrict,Tianjin300072,China;2.ChinaElectricPowerResearchInstitute,HaidianDistrict,Beijing100192,China;3.StateGridEnergyResearchInstitute,ChangpingDistrict,Beijing102209,China)ABSTRACT:Energyisakeyelementofnationalproduction,theproposedenergyinternetconceptpromotesthefurtherinnovationofenergydevelopmentconcept.Theimportantpartoftheenergysideofenergyinternet-integratedenergysystemwastakenastheresearchobject.Firstly,thetypicalenergysystemwithelectricity/heat/gaswasdividedintodifferentlevelsalongwiththeclassificationofkeycomponents.Comprehensivemodelingofintegratedenergysystemwasanalyzedbyenergyhubanditsextendedmodel.Onthisbasis,theenergyflow,optimization,planning,demandsidemanagementandothersteady-stateproblemsinvolvedwassummarizedandgeneralized.Theroleofenergyhubintheenergyflowanalysiswasdiscussedcombinedwithnumericalstudy.Aresearchideabasedontheconceptofenergyhubandthethoughtofmulti-energycomplementofintegratedenergysystemwasproposed,providingsuggestionsforenergydevelopmentundertheenergyinternetbackground.KEYWORDS:distributedenergy;energyinternet;integratedenergysystem;energyhub;steady-stateanalysis摘要：能源是国民生产的关键要素，能源互联网概念的提出促进了能源发展理念的进一步革新。该文以能源互联网能源基金项目：国家863高技术基金项目(2015AA050403)；国家自然科学基金项目(51407125)；山东省青岛市创新领军人才项目(15-10-3-15-(43)-zch)；TheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentofChina863Program(2015AA050403);ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(51407125);InnovationLeadingTalentProjectofQingdao,ShandongProvince(15-10-3-15-(43)-zch).侧重要组成部分—综合能源系统为研究对象，首先对含电力/热力/天然气的典型能源系统进行层次划分，对其中关键组件进行分类，通过能源集线器及其扩展模型对综合能源系统进行集成建模分析，在此基础上，对能源系统涉及到的能量流、优化、规划、需求侧管理等稳态问题进行总结与归纳，并结合算例阐述能源集线器在能量流分析中的作用，其目的是提出一种基于能源集线器概念和多能互补思想的综合能源系统研究思路，为能源互联网背景下的能源发展提供一些建议。关键词：分布式能源；能源互联网；综合能源系统；能源集线器；稳态分析0引言随着工业生产和居民生活对能源需求的日益增加以及环境问题与能源开发的日益矛盾，能源问题成为近年来学术界和工业界探讨的热点，探究如何在环境友好的前提下提高能源使用率成为世界各国共同关注的主要问题。近年来，可再生能源相关技术发展迅速[1]，源端与受端的能源多样化发展以及能源传输与设备的革新促使能源系统进一步耦合。能源互联网[2]、综合能源系统[3-4]等概念的提出以及我国近期对“互联网+智慧能源”理念的推行掀起了能源改革的新一波浪潮。能源互联网概念为能源分析提供了全新视角，带动了多领域、多学科、多维度间的交融与革新。综合能源系统是能源互联网的重要物理载第12期王伟亮等：能源互联网背景下的典型区域综合能源系统稳态分析研究综述3293体[3]，涉及能源的转换、分配与有机协调，它与能源互联网主要有以下两方面的区别：1）两者所涉及的领域所有不同，前者主要关注供能系统、能源交换环节与终端能源单元等物理层面的问题[4]，而后者在前者的基础上还需考虑信息通讯、物联网等问题，并强调信息流与能量流的交互作用；2）前者侧重于不同能源间的协同优化[3]，而后者主要关注不同能源系统之间的“泛在互联”以及信息与物理系统间的融合[5-6]。综合能源系统是多能互济、能源梯级利用等理念实现应用的关键，目前国内对该领域相关研究尚处于初步阶段，需要国家机构、能源供应商以及地方用户的广泛参与[7]。区域综合能源系统是综合能源系统在地理分布上与功能实现的具体体现，蕴含能源耦合与集成机理；不同的区域综合能源系统具有不同的能源转换、分配及利用场景。根据地理因素与能源发/输/配/用特性，可将综合能源系统分为跨区级、区域级和用户级，如图1所示。能源种类空间级别技术跨区级区域级用户级电力传输网架天然气、油、煤传输电气化交通网可再生能源智能配电系统智能配气网智能热力管网氢能技术智能用电系统微能源网需求侧管理柔性直流传输能量路由器信息物理系统电力热力能源传输天然气主动配电网混合储能能源集线器需求响应负荷预测电动汽车`能源转换能源存储能源分配能量路由器大数据云计算图1综合能源系统区域划分和评估维度Fig.1Divisionofregionandassessmentdimensioninintegratedenergysystem跨区级综合能源系统以大型输电、气等系统作为骨干网架，主要起能源远距离传输的作用，以柔性直流传输[8]、先进电力电子[5]、信息物理系统[6]等技术为核心，能源系统之间的互动受制于管理、运行、市场等因素；区域级综合能源系统由智能配电系统、中低压天然气系统、供热/冷/水系统等供能网络耦合互连组成，起到能源传输、分配、转换、平衡的“承上启下”作用，以主动配电网[9]、混合储能[10]、能源转换等技术为核心，能源系统之间存在较强耦合；用户级能源网络之间以智能用电系统、分布式/集中式供热系统、供水系统等网络耦合而成，以需求响应[11]、负荷预测[12]、电动汽车[13]等技术为核心，因耦合设备的广泛存在以及能源转换、存储等技术的广泛应用，能源网络间存在深度耦合[5]。综合能源系统是探究不同能源内部运行机理、推广能源先进技术的前沿阵地，具有重要的研究意义，其中，综合能源系统稳态分析是相关领域研究的基础，是探究多能互补特性、能量优化调度、协同规划、安全管理等方面的核心所在。本文以综合能源系统为研究对象，首先对其关键组件进行分析，结合综合能源系统的区域划分特性与不同能源互补特性，对典型综合能源系统进行稳态分析，通过能源集线器概念对其统一建模，在此基础上对综合能源系统能量流、优化、规划、需求侧管理等供能与用能技术进行总结与归纳，提供一种综合能源系统分析的思路，并对未来进行展望。1综合能源系统关键组件分析综合能源系统以电力系统、天然气系统、热力系统为典型代表，上述系统的耦合与互动既是综合能源系统中典型物理现象，也是综合能源系统在不同区域级别的关键组件，对其分析有利于进一步理清能源系统内在关系。其中，电力的能源品位较高，具有清洁、高效、易传输等特点[7]，在综合能源系统中具有一定的代表性，本文主要从电力系统的角度，探讨其与天然气系统和热力系统的耦合。1.1电力–天然气耦合组件随着热电联产(combinedheatandpower，CHP)、冷热电三联供(combinedcoolingheatingandpower，CCHP)等技术的广泛应用，电力–天然气系统的结合在综合能源系统中愈发重要。天然气具有安全可靠、传输方便、经济性好、环境友好[14]等特点，对其有效利用有利于提高能源使用效率、减少二氧化碳排放。用户级的电力–天然气耦合组件主要体现在以微型燃气轮机为代表的设备，它将天然气的高品位能量发电，低品位能量进行供热供冷[15]，适合于分布式能源供应系统。微型燃气轮机的结构可根据动力涡轮与燃气涡轮是否同轴分为单轴和分轴[16]，文献[17-19]介绍了单轴和分轴结构的微型燃气轮机仿真模型及独立运行控制方式；文献[20]在上述工作的基础上考虑了微型燃气轮机在不同运行模式、负荷类型以及拓扑结构下的动态特性进。然而，目前关于微型燃气轮机的研究忽略了电力与天然气系统之间的互相影响和耦合特性，将天然气管道动态处理为代数约束或一阶滞后环节来近似考虑，无法准确掌握电力–天然气耦合系统实际的运行特3294中国电机工程学报第36卷性。文献[21]在考虑天然气管道动态特性的基础上，对微型燃气轮机的燃料供应环节进行改进，建立燃料误差信号与其入口压力的控制关系，实现电力系统与天然气系统的互联。用户级典型的电力–天然气耦合组件如图2所示，包括燃气轮机环节、天然气系统、电力系统及负荷侧的电/气/冷/热负荷。天然气网络电力网络电力负荷热负荷天然气负荷燃气轮机图2用户级电力–天然气耦合组件[21]Fig.2User-levelelectricity-naturalgascouplingcomponent[21]区域级和跨区级的电力–天然气耦合组件主要载体是燃气轮机和电驱动压缩机，作为电力网络与天然气网络连接的纽带，燃气轮机在电力系统中是发电机，在天然气网络中可视为负荷。在该层面主要关注长时间尺度的电力系统与天然气系统的能量流动、潮流收敛以及能量守恒。天然气管道系统潮流特性体现在：天然气从气源点得到供应，经高\中\低压网络传输到储气点、负荷侧或通过耦合组件与电力系统交互。天然气系统的可大规模储存特性[22]以及电力转天然气技术(PowertoGas，P2G)[23]为多能源联合优化运行提