董昕昕, 孫偉卿, 張 巍, 李海英

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的多能源輸送網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合建模

董昕昕, 孫偉卿, 張 巍, 李海英

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

構(gòu)建多元多向的能源輸送網(wǎng)絡(luò)、建設(shè)清潔能源供應(yīng)基地，能夠提升能源的利用效率，降低能源供應(yīng)成本，是支撐能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提。多類型網(wǎng)絡(luò)的整合與互聯(lián)，打破了不同類型能源之間的“隔離性”，使得各類能源輸送網(wǎng)絡(luò)發(fā)展呈現(xiàn)相互依托、相互促進(jìn)的關(guān)系。電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)作為兩大發(fā)展成熟的網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)特性以及網(wǎng)絡(luò)耦合形式值得深入研究探討。介紹了以電-氣聯(lián)合系統(tǒng)為主的能源輸送網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了不同能源的傳輸形式以及多種能源輸送網(wǎng)絡(luò)之間的耦合關(guān)系，著重分析了電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)之間的耦合方式，并綜合分析了計(jì)及不確定性和相關(guān)性的多能源輸送網(wǎng)絡(luò)的研究方法。最后，就電-氣聯(lián)合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行論述，并對(duì)未來(lái)的研究方向以及研究側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行了展望。

可再生能源； 清潔能源； 電力； 輸送； 互聯(lián)網(wǎng)； 網(wǎng)絡(luò)模型

0 引言

能源作為供給人類生產(chǎn)、生活的能量源，對(duì)其利用方式與使用類型的工業(yè)革新從未停息。傳統(tǒng)能源的匱乏及其不可再生性，限制了當(dāng)今的工業(yè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，利用傳統(tǒng)能源產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題同樣使得人類社會(huì)面臨巨大威脅。在此背景下提出的能源互聯(lián)網(wǎng)[1-3]，旨在將清潔的可再生能源替代傳統(tǒng)能源，并融合互聯(lián)網(wǎng)框架作為能源互聯(lián)、互通以及互補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)形式，從而達(dá)到能源利用效率最大化，以促進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)模式的改變。

能源輸送作為實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)的前提，是目前主要關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。文獻(xiàn)[4]針對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)輸送的能量流進(jìn)行分析，并同時(shí)考慮兩網(wǎng)間的不確定性對(duì)系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[5]基于所提出的電-氣混合綜合動(dòng)態(tài)模型，研究了電-氣兩網(wǎng)之間能源的交互。文獻(xiàn)[6]在計(jì)及風(fēng)電、天然氣網(wǎng)絡(luò)與水電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究了電力系統(tǒng)機(jī)組組合問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]從潮流計(jì)算的角度，同時(shí)計(jì)及電-氣網(wǎng)絡(luò)之間的耦合，對(duì)系統(tǒng)能量流進(jìn)行分析。以上文獻(xiàn)就多能源系統(tǒng)能量流的求解以及建模方面進(jìn)行研究，但對(duì)于能源耦合關(guān)系和能源輸送不確定性方面尚未作出深入探討。

本文總結(jié)了不同能源形式，著重分析電-氣之間的耦合方式，并針對(duì)多能源輸送網(wǎng)絡(luò)的不確定性和相關(guān)性進(jìn)行闡述，最后就電-氣聯(lián)合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行歸納。

1 能源輸送網(wǎng)絡(luò)間的耦合關(guān)系

傳統(tǒng)能源系統(tǒng)多為獨(dú)立運(yùn)行，無(wú)論從能源利用效率還是能源輸送的靈活性角度，都不再適應(yīng)如今快速發(fā)展的生產(chǎn)、生活方式。多能源之間的互聯(lián)、互通乃至互補(bǔ)是解決這一矛盾的重要途徑。

燃?xì)廨啓C(jī)作為電力與天然氣的耦合設(shè)備，其將天然氣作為燃料，并將所產(chǎn)電能供給電網(wǎng)運(yùn)行；天然氣經(jīng)燃?xì)忮仩t可生成熱能，根據(jù)熱能的品質(zhì)進(jìn)行分配用以發(fā)電或供熱；供冷可采用分散式電壓縮制冷；電動(dòng)汽車作為交通網(wǎng)與電網(wǎng)的耦合單元，實(shí)現(xiàn)了電能對(duì)傳統(tǒng)能源的替代；氫燃料站將氫能作為燃料參與綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行；電轉(zhuǎn)氣技術(shù)可通過(guò)電解槽實(shí)現(xiàn)水電解制氫[9-15]。

鑒于電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)是成熟的兩大能源網(wǎng)絡(luò)，均有完整的體系，已進(jìn)入民用階段，且兩網(wǎng)之間存在多種形式的耦合關(guān)系。文獻(xiàn)[16]對(duì)如何計(jì)算電-氣-熱三網(wǎng)融合的混合潮流進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[17]分析了電-氣網(wǎng)絡(luò)之間的交互影響，并綜合考慮了燃?xì)夤艿兰s束，對(duì)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。文獻(xiàn)[18]評(píng)估了天然氣分布式能源站的存在價(jià)值。文獻(xiàn)[19]、文獻(xiàn)[20]以最小化成本為目標(biāo)，研究了電-氣聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)的多階段規(guī)劃問(wèn)題。

電-氣混合系統(tǒng)耦合關(guān)系如圖1所示。

圖1 電-氣混合系統(tǒng)耦合關(guān)系圖

①燃?xì)廨啓C(jī)組。

燃?xì)廨啓C(jī)組以天然氣作為燃料，發(fā)電供給電力網(wǎng)絡(luò)中的電負(fù)荷。燃?xì)廨啓C(jī)組作為電-氣轉(zhuǎn)換設(shè)備，在電網(wǎng)中是供電電源，而對(duì)于燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)則是氣負(fù)荷。燃?xì)廨啓C(jī)輸入、輸出關(guān)系如式(1)所示。

(1)

式中：Hg為輸入燃?xì)廨啓C(jī)天然氣的熱值；PG為輸出燃?xì)廨啓C(jī)的電功率；ω、β、γ為比例參數(shù)，其值取決于燃?xì)廨啓C(jī)的耗熱率曲線。

②電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。

由于天然氣在傳輸管道內(nèi)存在損耗，需每隔一段距離設(shè)置加壓站用以升壓。當(dāng)加壓站的壓縮機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電-氣兩網(wǎng)之間的深度耦合，增強(qiáng)了能源傳輸?shù)撵`活性。其輸入、輸出近似為線性關(guān)系，具體如式(2)所示。

Pcom=ζHcom

(2)

式中： Pcom為電力網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)處驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的等效電負(fù)荷;Hcom為注入到天然氣網(wǎng)絡(luò)的燃?xì)饬?；ζ為常?shù)，通常取ζ=7.457×10-6。

③能源集線器。

能源集線器可實(shí)現(xiàn)多種能源形式的相互轉(zhuǎn)換，用于電-氣聯(lián)合系統(tǒng)中可等效為相應(yīng)的電負(fù)荷、氣負(fù)荷以及熱負(fù)荷等。

能源集線器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要可分為能源供應(yīng)側(cè)、能源轉(zhuǎn)換裝置以及能源需求側(cè)三部分。其中，能源轉(zhuǎn)換裝置包括變壓器、中央空調(diào)、微燃機(jī)、燃?xì)忮仩t等，用于實(shí)現(xiàn)能源之間的相互轉(zhuǎn)換。

圖2 能源集線器結(jié)構(gòu)圖

2 多能源輸送網(wǎng)絡(luò)的不確定性和相關(guān)性

多種能源形式的高度融合，以及新能源發(fā)電的接入，使得電力行業(yè)及其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)面臨諸多不確定性的挑戰(zhàn)。同時(shí)，影響綜合網(wǎng)絡(luò)的變量間存在一定的相關(guān)性，需對(duì)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析方式進(jìn)行改進(jìn)，才可實(shí)現(xiàn)正確評(píng)估。

2.1 多能源輸送網(wǎng)絡(luò)模型的不確定性因素

多能源輸送網(wǎng)絡(luò)的不確定性[21-28]可分為兩大類。

①源側(cè)不確定性因素。

新能源的接入大大增加了多能源網(wǎng)絡(luò)的不確定性，如風(fēng)和光的不確定性。風(fēng)機(jī)的出力受限于風(fēng)速的波動(dòng)，其影響因素既包含風(fēng)電場(chǎng)所處的地域，也包含日夜差異以及四季變化。同樣地，光伏發(fā)電受日照強(qiáng)度以及日照時(shí)長(zhǎng)等自然因素的影響。

②荷側(cè)不確定性因素。

能源互聯(lián)網(wǎng)涉及的負(fù)荷類型多樣，包括電、熱、氣、冷等。其波動(dòng)性反映了用戶用能需求的變化，且不同能源的需求呈現(xiàn)不同的時(shí)空分布曲線。

文獻(xiàn)[24]計(jì)及可再生能源波動(dòng)性與主動(dòng)負(fù)荷的互動(dòng)，對(duì)響應(yīng)后的系統(tǒng)安全水平進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[25]以電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)的總運(yùn)行成本為優(yōu)化目標(biāo)，分析了在輸入變量不同的情況下，波動(dòng)水平及相關(guān)性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。文獻(xiàn)[26]考慮了光伏與負(fù)荷的不確定性對(duì)能源系統(tǒng)潮流的影響。文獻(xiàn)[28]考慮了風(fēng)電和光伏出力、自來(lái)水量以及負(fù)荷的不確定性，對(duì)含新能源的水火系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。以上文獻(xiàn)針對(duì)融合新能源系統(tǒng)輸入端口處負(fù)荷的不確定性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估，同時(shí)也說(shuō)明了忽略系統(tǒng)荷側(cè)不確定性會(huì)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的評(píng)估造成誤差。

2.2 多能源輸送網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性因素

多能源輸送使得能源互動(dòng)性增強(qiáng)，需計(jì)及輸入網(wǎng)絡(luò)各變量間的相關(guān)性才能準(zhǔn)確描述此類復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的特性，具體相關(guān)性類型可分為三類。

①源與源之間的相關(guān)性。

在時(shí)空分布上，可再生能源有一定相關(guān)性。當(dāng)多臺(tái)風(fēng)機(jī)或多塊光伏板同時(shí)運(yùn)行時(shí)，相鄰機(jī)組之間存在互相關(guān)性，且對(duì)于單個(gè)機(jī)組亦有自相關(guān)性。此類相關(guān)性一般滿足線性關(guān)系。

②荷與荷之間的相關(guān)性。

多能源系統(tǒng)的負(fù)荷之間存在相關(guān)性，對(duì)于同一區(qū)域，極有可能在相似時(shí)段經(jīng)歷負(fù)荷高峰期或低谷期。這種相關(guān)性不僅存在于同類型負(fù)荷之間，而且同樣存在于不同類型負(fù)荷之間。例如電負(fù)荷與氣負(fù)荷在某些程度上就具有相關(guān)性，此類相關(guān)性同樣多為線性關(guān)系。

③源與荷之間的相關(guān)性。

因負(fù)荷與可再生能源均在很大程度上受溫度以及自然環(huán)境的影響，故二者之間在時(shí)序上具有一定相關(guān)性。此類相關(guān)性由于輸入變量分別滿足不同分布特性，故一般為非線性關(guān)系。

目前針對(duì)變量間相關(guān)性的研究中，文獻(xiàn)[27]采用秩相關(guān)系數(shù)來(lái)處理非線性相關(guān)的輸入變量，并驗(yàn)證其對(duì)潮流的影響，但此方法無(wú)法體現(xiàn)變量尾部特性。文獻(xiàn)[29]針對(duì)風(fēng)電、光伏等發(fā)電功率相關(guān)性進(jìn)行概率評(píng)估，但并未考慮源荷之間相關(guān)性的影響。文獻(xiàn)[30]計(jì)及風(fēng)速與負(fù)荷的相關(guān)性，分析其對(duì)潮流以及配網(wǎng)重構(gòu)的影響，但并未考慮不同負(fù)荷特性曲線的差異性。

3 電-氣聯(lián)合系統(tǒng)的潮流模型

隨著能源形式漸趨多樣化，能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，更需構(gòu)建適應(yīng)高集成度的模型，以實(shí)現(xiàn)混合能量流的計(jì)算[16-18]。電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)作為耦合程度較高的兩大網(wǎng)絡(luò)，其模型大致可分為兩類。

①單點(diǎn)連接型電-氣聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)。

這種連接形式下，天然氣網(wǎng)絡(luò)以單獨(dú)節(jié)點(diǎn)供應(yīng)燃?xì)猓鳛槿細(xì)廨啓C(jī)的能源輸送端。對(duì)于小型城市或是鄉(xiāng)村，由于占地面積和用戶側(cè)需求量小，考慮到建設(shè)管道的成本問(wèn)題，一般只需天然氣網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)絡(luò)單點(diǎn)連接，即可滿足用戶需求。

②多點(diǎn)連接型電-氣聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)。

在此連接形式下，天然氣網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)絡(luò)存在多處連接點(diǎn)，以便滿足大中型城市的能源供應(yīng)。除以燃?xì)怆娬緸轳詈喜糠值亩帱c(diǎn)連接外，因能源傳輸距離較遠(yuǎn)，故每隔一段距離，還需設(shè)置加壓站來(lái)增加天然氣在管道內(nèi)的壓力。

在電-氣聯(lián)合系統(tǒng)建模中，根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)各支路功率平衡條件，節(jié)點(diǎn)注入的有功功率Pi、無(wú)功功率Qi需滿足以下平衡關(guān)系。

(3)

(4)

式中：Pij為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j相連支路的有功功率；Qij為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j相連支路的無(wú)功功率。

對(duì)于天然氣網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)流需滿足如下平衡方程。

(5)

式中：Fm為氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的注入流量；∑Fmm為與節(jié)點(diǎn)相連管道的總流量；∑αFcom,k為流經(jīng)加壓站的總流量，α是用以判斷進(jìn)出加壓站的系數(shù)；∑μcom,k為驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)裝置自損耗流量，當(dāng)加壓站使用電能驅(qū)動(dòng)時(shí)，此項(xiàng)為0。

電-氣聯(lián)合系統(tǒng)的耦合單元包括兩個(gè)部分，其一為燃?xì)廨啓C(jī)，其輸入燃?xì)饬髁颗c輸出電功率需滿足式(1);其二為能源集線器部分，其一般引入能量轉(zhuǎn)化效率矩陣C以及比例分配系數(shù)矩陣η來(lái)描述輸入、輸出之間能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系，如式(6)所示。

L=CηP

(6)

式中：P為注入能量；L為輸出能量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以能源互聯(lián)網(wǎng)為研究背景，討論了多能源輸送的相關(guān)問(wèn)題。從能源互聯(lián)網(wǎng)的概念出發(fā)，總結(jié)了電-氣聯(lián)合系統(tǒng)中能源間的耦合關(guān)系，簡(jiǎn)述了其數(shù)學(xué)模型的構(gòu)造方式。針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中輸入?yún)?shù)的不確定性和相關(guān)性，對(duì)源與荷之間的關(guān)系進(jìn)行了歸類，同時(shí)總結(jié)了系統(tǒng)間連接形式劃分的電-氣聯(lián)合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，最終對(duì)系統(tǒng)建模。目前，對(duì)多能源輸送網(wǎng)絡(luò)的建模更著重于電力系統(tǒng)部分，對(duì)其他系統(tǒng)建模較為簡(jiǎn)化，且系統(tǒng)之間融合程度較低，與實(shí)際系統(tǒng)有所偏差。未來(lái)的研究可更側(cè)重于系統(tǒng)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)特性，如電-氣聯(lián)合系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)的最優(yōu)選址定容，優(yōu)化目標(biāo)一定時(shí)確定電-氣轉(zhuǎn)換設(shè)備輸入側(cè)的電功率等；并制定多能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案。

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JointModelingofMulti-EnergyTransportationNetworkunderBackgroundofEnergyInternet

DONGXinxin,SUNWeiqing,ZHANGWei,LIHaiying

(SchoolofOpticalElectricalandComputerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093，China)

Constructingdiversifiedandmulti-directionalenergytransportationnetworkandbuildingcleanenergysupplybase，whichcanenhancetheefficiencyofenergyutilizationandreducethecostofenergysupplyisthebasisandpremiseofdevelopmentofenergyinterconnection.Theintegrationandinterconnectionofvarioustypesofnetworks,breakingthe"isolation"amongdifferenttypesofenergy,makethedevelopmentofvarioustypesofenergytransportnetworkdemonstratethemutualsupportandmutualpromotion.Astwomajordevelopmentmaturenetworks,powernetworkandnaturalgasnetwork，theirnetworkcharacteristicsandnetworkcouplingformareworthyoffurtherresearchanddiscussion.Basedonthecombinationofelectricandgassystem，theresearchstatusofenergytransportationnetworkisintroduced,thedifferentformsofenergytransmissionandthecouplingrelationshipamongmultipleenergytransportationnetworksaresummarized,theelectricalandgascombinedsystemisemphaticallyanalyzed,andtheresearchmethodofmultienergytransmissionnetworkconsideringuncertaintyandcorrelationisdiscussed.Finally,themathematicalmodelofelectricalandgascombinedsystemissummarizedandthefutureresearchdirectionandresearchfocusareprospected.

Renewableenergy;Cleanenergy;Electricity;Transportation;Internet;Networkmodel

董昕昕(通信作者)，女，在讀碩士研究生，主要從事電-氣聯(lián)合能源綜合系統(tǒng)的研究。E-mail: 441881106@qq.com。孫偉卿(1985—)，男，博士，副教授，主要從事智能電網(wǎng)技術(shù)、電力系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化、微電網(wǎng)發(fā)電與并網(wǎng)控制技術(shù)的研究。E-mail:sidswq@163.com。

TM727;TH

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701004

修改稿收到日期：2016-11-22