劉學智，嚴 正，解 大，張沛超，王 海，龍惟定

（1. 上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海市 200240；2. 同濟大學機械與能源工程學院，上海市 200092）

0 引言

電熱耦合系統(tǒng)是應用最廣泛的綜合能源系統(tǒng)類型之一，是未來實現(xiàn)高比例可再生能源接入電網的重要應用場景與載體。當前電熱綜合能源網的研究大多局限于弱耦合網絡，原因在于熱網的投資成本高，若接入集中熱網的用戶同時安裝熱泵進行混合供熱會增加設備投資成本，所以電熱網主要通過少數大型熱電聯(lián)供機組提供弱耦合，相應的統(tǒng)一模型主要是端口等值模型。目前通過電熱綜合能源系統(tǒng)多能互補提升電力系統(tǒng)運行靈活性主要分為兩類：一類是利用熱網蓄熱的慢動態(tài)特性；另一類是對溫控負荷的靈活性聚合（與熱網無關聯(lián)）。

第5 代區(qū)域供熱供冷（5th generation district heating and cooling，5GDHC）系統(tǒng)改變了這種形態(tài)［1-2］。其水溫接近于環(huán)境溫度、采用塑料管以及借助熱泵供熱與制冷機供冷的變革性特點，使得電熱網真正實現(xiàn)高密度網狀深度融合。目前，5GDHC系統(tǒng)或稱能源總線的研究仍以建筑暖通學科為主，較少涉及電網交互分析［3］；而目前綜合能源系統(tǒng)熱網建模主要基于傳統(tǒng)前4 代熱網，未考慮到多源環(huán)狀雙向低溫5GDHC 系統(tǒng)中熱源的熱交換量、總線水溫度和用戶熱泵機組工況三者互相耦合的復雜運行調節(jié)策略。不同于目前溫控負荷的靈活性聚合研究中熱泵個體之間無關聯(lián)，5GDHC 系統(tǒng)中熱泵池均通過熱網管段連接并相互影響。因此，本文中5GDHC 系統(tǒng)驅動的能源元胞有效融合了兩種方法提升電力系統(tǒng)靈活性，即同時集成熱泵池調控與利用熱網蓄熱的慢動態(tài)特性，并考慮兩者之間的相互影響。本文從本質上試圖揭示兩種不同物理性質的網級耦合問題。實現(xiàn)電力系統(tǒng)與能源機械學科的有機結合。期望本文能為電熱耦合綜合能源系統(tǒng)的經濟運行以及夏熱冬冷地區(qū)供冷供暖提供解決方案。

本文提出以下問題：1）如何根據“多源多匯”、環(huán)狀、雙向的5GDHC 系統(tǒng)中各種“源”和“匯”的不同特性，優(yōu)化源之間的負荷分配和運行調節(jié)，以實現(xiàn)管網的水力和熱力穩(wěn)定以及熱泵機組工況的穩(wěn)定運行？2）5GDHC 系統(tǒng)與配電網通過熱泵池構成多點高密度網狀緊密耦合的能源元胞，如何建立適應新形態(tài)的能源元胞網絡流理論及可行域分析，提高配電網的可觀性？3）目前熱泵靈活性聚合研究中熱泵與熱網無關聯(lián)，5GDHC 系統(tǒng)中熱泵池通過熱網管段相連接，聚合商如何兼顧熱網熱慣性與熱泵池的靈活性聚合，分配各元胞的靈活性出力，以實現(xiàn)交互邊界清晰的分層級管理架構，為電網調度提供支撐？基于此，本文提出建立與5GDHC 相兼容的考慮產消共享且耦合度更高的電-熱網絡流模型，通過分析網絡流與可行域（邊界條件），可實現(xiàn)多時間尺度的強耦合電熱網微分-代數方程求解；提出5GDHC 能源元胞概念，充分利用了“配電網電壓分層級、5GDHC 模塊化延展”的特征，將單一能源元胞推廣到多能源元胞的靈活性聚合；提出構建一套基于5GDHC 能源元胞的分層級協(xié)調體系以及靈活性聚合與分配方法的思路，協(xié)同熱網熱慣性與熱泵聚合為電網調峰提供支撐。

1 綜合能源電熱耦合網發(fā)展思路

1.1 電熱耦合網的統(tǒng)一建模理論的發(fā)展

電熱耦合網作為綜合能源系統(tǒng)的典型代表，通過多種能源的轉換與利用熱力的易存儲特性進行多能互補，得到了國內外學者的廣泛研究［4-7］，從較早的能量樞紐模型［8］和基于網絡拓撲的聯(lián)合潮流模型［9-11］，到針對不同時間尺度動態(tài)下的電、氣、熱多能 流 統(tǒng) 一 建 模 與 仿 真 方 法［4，5，12］。統(tǒng) 一 能 路 理 論 與廣義電路分析理論均具備良好精度與兼容性佳的優(yōu)勢，對促進綜合能源建模理論的發(fā)展具有里程碑的意義。這兩種理論主要通過邊界外端口研究互相交互的多能源網絡，建立能夠考慮動態(tài)特性的多能源網絡邊界端口等值模型，將復雜的內部信息轉換為等值的邊界條件。然而，多能源網絡的邊界等值模型仍然是各種能源各自孤立的節(jié)點與網絡［4］。根本原因在于，目前多數綜合能源系統(tǒng)建模面向的電熱耦合網通過少量大型熱電聯(lián)供（CHP）機組提供弱耦合［5］，網絡拓撲如圖1 所示［9］，或者通過小型CHP機組與鍋爐等供熱，但沒有接入集中熱網。

圖1 配電網與熱力網通過少量CHP 機組耦合的網絡拓撲Fig.1 Network topology of distribution network and heat network coupled through a small number of CHP units

1.2 支撐統(tǒng)一理論需突破的問題

目前，大多數研究中熱源是電熱網唯一的耦合點，電網研究者容易忽略泵（熱泵和水泵）的問題。熱泵的電熱能轉換可實現(xiàn)電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的錯峰運行；水泵通過變頻調節(jié)壓力實現(xiàn)熱網的水力平衡。大量熱泵與水泵是實現(xiàn)電熱網高度耦合的有效途徑?；诰C合能源系統(tǒng)多能互補的優(yōu)勢，設想用戶依靠集中供熱的管網基礎設施加上戶用熱泵進行混合供暖。由此，通過熱網中大量熱泵接入不同電力饋線，熱力網與配電網形成緊密互聯(lián)的網狀結構能源網（如圖2 所示），突破目前綜合能源電熱耦合網中僅由少數熱源——CHP 機組提供的弱耦合，形成電熱網高度耦合的復雜形態(tài)。熱網中大量熱泵形成的熱泵池（heat pump pools）聯(lián)系著電與熱的功率流［13］。熱泵的電熱功率轉換以及轉換功率的大小，受到分時電價、可再生能源、環(huán)境溫度等信號的影響，而調控熱泵池會影響配電網電壓與頻率以及熱網與蓄熱裝置的運行。

圖2 配電網與熱力網通過大量熱泵高度耦合示意圖Fig.2 Schematic diagram of high coupling between distribution network and heat network through a large number of heat pumps

但是，一般熱用戶多采用一種供熱方式，因為接入集中熱網的用戶同時安裝熱泵進行混合供熱會增加成本，尤其是供熱網的成本很高。另外，現(xiàn)階段空氣源熱泵的低溫適應性以及室外換熱器的結霜和除霜問題造成空氣源熱泵運行效果不理想，制約空氣源熱泵的推廣應用。中國黃河流域、華北等寒冷地區(qū)，空氣源熱泵性能非常低，甚至無法運行；長江流域、華南等地區(qū)，雖然冬季空氣溫度較高，但空氣源熱泵的結霜問題嚴重，導致其運行穩(wěn)定性和可靠性較低［3］。這些因素使得區(qū)域供熱+熱泵的混合供熱受到限制，制約了電熱網融合統(tǒng)一建模理論發(fā)展。

1.3 5GDHC 給統(tǒng)一理論帶來的機遇和挑戰(zhàn)

1.3.1 5GDHC 的概念與特點

如前所述，實現(xiàn)電熱耦合網深度融合系統(tǒng)需要兩種供熱組態(tài)方式的結合，即單體建筑分別配備供能設備提供能源和分布式能源站為多個建筑提供能源，5GDHC 系統(tǒng)的出現(xiàn)給這種混合供熱提供了解決 方 案。5GDHC 系 統(tǒng)［1，2，14］或 稱 能 源 總 線 系 統(tǒng)（energy bus system）［3］，或稱共享熱網（heat sharing networks）［15-16］，是一種集成應用城區(qū)的可再生能源及未利用能源的城區(qū)冷熱能源系統(tǒng)。歐洲在第4 代熱網的基礎上，于2017 年前后提出了5GDHC 系統(tǒng)的概念［3］。文獻［3］認為5GDHC 系統(tǒng)就是中國的能源總線系統(tǒng)，早在2008 年能源總線的概念就被提出，主要用于建筑暖通學科。根據大量文獻調研，本文采用5GDHC 的名稱，與代表性文獻吻合。

5GDHC 系統(tǒng)通過集中的城區(qū)管網，將冷卻水或熱媒水輸送到用戶末端的制冷或熱泵機組（如圖3 所示）。系統(tǒng)用戶從冷管取水用于冷水機組的冷凝器冷卻，然后向暖管輸出，可以提供給其他用戶的熱泵用于供暖，因此，也稱為冷熱平衡網（balanced energy networks）［15，6］。5GDHC 系統(tǒng)水溫接近于環(huán)境溫度，用塑料管取代鋼管，管道無須保溫，大大降低了管道投資成本與熱力傳輸損耗，還可大量利用分布式的可再生能源。另外，不同于空氣源或土壤源熱泵，5GDHC 系統(tǒng)的恒溫水源提高了末端熱泵的效率，并能實現(xiàn)同時供冷供熱。用戶末端機組可以根據用戶需要啟停機組，進行末端調節(jié)，公共部分的能耗僅為總循環(huán)水泵、冷熱源循環(huán)水泵。

圖3 土壤源與冷卻塔并聯(lián)形式的5GDHC 系統(tǒng)Fig.3 5GDHC system with parallel connection of soil source and cooling tower

5GDHC 系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)熱網，具有以下變革性的特點［3］。

1）去中心化的分布式水源熱泵系統(tǒng)，不需要冷熱源能源中心，由能源站補熱和蓄熱。

2）管網水溫低至12～30 ℃，可利用更多的低品位可再生能源和余熱廢熱資源。

3）供水溫度低，實現(xiàn)低溫供暖。采用無保溫的塑料管道，能夠實現(xiàn)更長的輸送距離。

4）沒有供回水管的概念，只需冷管和暖管，可以同時供冷供熱。

5）當供冷供熱不平衡時，需要系統(tǒng)有儲熱裝置。6）住宅用戶的能耗完全根據家庭電表計費。1.3.2 5GDHC 系統(tǒng)構成的電熱強耦合網

從單獨的水環(huán)熱泵模型，擴展到單元結構中的樓宇供熱供冷網，然后到連接樓宇供熱供冷網的區(qū)域5GDHC 系統(tǒng)，集中在能源中心的大型熱泵和蓄熱水池，以及分散到各個用戶的小型熱泵池，構成了5GDHC 系統(tǒng)與配電網緊密互聯(lián)的網狀結構能源網，如圖4 所示。借鑒圖論思想，根據配電網拓撲圖和5GDHC 系統(tǒng)拓撲圖以及熱泵、冷水機組和水泵等轉換對應關系，確定電熱網絡之間節(jié)點的互連關系。

圖4 通過5GDHC 系統(tǒng)熱泵池高度耦合的電熱網拓撲圖Fig.4 Topology of electricity and heat networks highly coupled with heat pump pools of 5GDHC system

5GDHC 系統(tǒng)提供低溫熱源，用于分布式熱泵進行提升溫度供暖、直接供冷或間接利用制冷機制冷。未來5GDHC 系統(tǒng)推廣后，分布式熱泵的數量會急劇增加，如圖4 所示，電熱需求側的網級耦合愈發(fā)重要［14］。但是不同于目前熱泵個體之間無關聯(lián)，5GDHC 系統(tǒng)熱泵池均通過熱網管段連接并相互影響。因此，本文的強耦合主要體現(xiàn)在基于5GDHC系統(tǒng)熱泵池的需求側新業(yè)態(tài)［17-20］。未來含高滲透率可再生能源與分布式能源的中低壓配電網中，需求側會成為產消者，配電網中緊密耦合的分布式光伏-儲能與熱泵池會影響潮流與電壓分布?；陔姛釓婑詈暇W的多能流計算，通過調節(jié)熱泵池改變能流轉換，以及無功補償裝置調控電力系統(tǒng)潮流，減小線路潮流阻塞與節(jié)點電壓越限。

另一方面，5GDHC 系統(tǒng)耦合電網不僅體現(xiàn)在需求側，也體現(xiàn)在電源或熱源側［20］。5GDHC 系統(tǒng)通過系統(tǒng)的調節(jié)和調度，保持冷管和暖管的水溫恒定，盡量利用本地可再生能源及余熱、廢熱等“免費”熱源，避免開啟耗能設備補熱補冷，但仍然需要能源站補熱補冷如大型熱泵或CHP 機組［1，3］。相比傳統(tǒng)的前4 代熱網，5GDHC 系統(tǒng)中大型熱泵的性能系數（COP）更高且容量更小，因為后者只需要將空氣溫度（如-5 ℃）提升到30 ℃，而傳統(tǒng)熱網需提升到70 ℃，所以相較于傳統(tǒng)熱網，5GDHC 系統(tǒng)用大型熱泵補熱的效率更高。

5GDHC 系統(tǒng)驅動的電熱網高度耦合的復雜場景如圖4 所示。該場景改變了目前電熱綜合能源網由少量CHP 機組構成的弱耦合形態(tài)，也改變了未來配電網的形態(tài)。多個5GDHC 系統(tǒng)是否連接、熱泵池是否向電網提供靈活性的連續(xù)調控運行策略，均會影響系統(tǒng)投資成本、運行成本與收益。熱泵池是否作為電力負荷會影響配電網電壓與頻率，調控熱泵會影響熱泵在5GDHC 系統(tǒng)的節(jié)點水溫和流量，進而影響輔助熱源的啟停與出力以及蓄熱裝置運行。這些大量相互交織影響的動態(tài)過程需要一套基于5GDHC 系統(tǒng)作為電熱強耦合網前提條件的系統(tǒng)性網絡流建模理論，以提高中低壓配電網的可觀性。通過電熱能流轉換的調控，減小線路潮流阻塞與節(jié)點電壓越限，分散地消納分布式可再生能源。

1.3.3 5GDHC 系統(tǒng)對綜合能源統(tǒng)一建模理論的影響

5GDHC 系統(tǒng)將分散的低品味熱源集成利用，實現(xiàn)資源共享，并利用不同建筑負荷分布的多樣性和參差率，平衡供需。分布式水環(huán)熱泵產消者意味著有用戶輸入，也有輸出，負荷節(jié)點之間的熱媒雙向流動。環(huán)狀管網的中心循環(huán)水泵可以由分布式的變頻變速水泵取代，分布式水泵安裝在末端熱力站中。因此，5GDHC 系統(tǒng)水力計算需考慮雙向流動與分布式水泵。熱力模型方面，傳統(tǒng)前4 代熱網側重于網絡溫度計算，但5GDHC 系統(tǒng)的水溫接近室溫，熱損耗很小，需要選取合適的總線供水溫度。總之，目前5GDHC 系統(tǒng)還沒有完整統(tǒng)一的建模、設計運行方法，因此對電熱耦合網統(tǒng)一建模理論的影響有待研究，可從以下兩方面考慮。

穩(wěn)態(tài)方面，在目前綜合能源系統(tǒng)多能流計算中，電熱網的能流方程主要通過CHP 機組耦合，雅可比矩陣的非對角子矩陣非零元素非常稀少；基于5GDHC 系統(tǒng)的電熱強耦合網中，由于熱泵池構成了大量耦合點，因此雅可比矩陣的非對角子矩陣非零元素會大量增加。熱泵機組的制熱量或制冷量是進水溫度（即5GDHC 系統(tǒng)暖管或冷管水溫）的函數，熱網管段水溫的變化會影響末端機組的出力，因此會影響系統(tǒng)參數的靈敏度分析，如氣溫變化引起電熱負荷、5GDHC 系統(tǒng)總線溫度、水環(huán)熱泵COP 和熱泵耗電功率的變化，進而影響配電網潮流與電壓分布。

準穩(wěn)態(tài)或動態(tài)方面，電熱綜合能源系統(tǒng)是典型的多模態(tài)異質系統(tǒng)［7］。在供熱管網中，壓力波的速度約為1 000 m/s，水波傳播速度通常在0.2 m/s 與4 m/s 之間。發(fā)生擾動后，在幾秒鐘內系統(tǒng)狀態(tài)過渡到第1 階段（電力系統(tǒng)暫態(tài)過程）。此后，熱水管網的水力過程在幾十秒鐘后發(fā)生變化，此時過渡到第2 階段即水力階段。在幾分鐘內系統(tǒng)過渡到第3階段，此階段電力系統(tǒng)中的功率流、熱網中的質量流率和水溫均較上一階段有所變化。CHP 電熱耦合系統(tǒng)中，配電網和供熱網通過距離負荷較遠、熱慣性延遲較大的少數CHP 能源站相互耦合。若CHP 能源站與熱用戶的距離為1 000～2 000 m，則機組水溫的變化到達熱用戶的時間可能需要大于1 h。然而，5GDHC 能源元胞的能源站僅用于補熱補冷，主要通過網絡中高密度分布的熱泵池耦合傳導。因此，需要研究其水力-熱-力分階段準穩(wěn)態(tài)過程與傳統(tǒng)CHP 機組耦合的電熱網之間的差異性。

1.4 基于5GDHC 系統(tǒng)能源元胞的靈活性聚合應用前景

5GDHC 系統(tǒng)與配電網耦合最緊密的是熱泵池，大量的熱泵等分布式資源通過聚合的方式提升運行靈活性，實現(xiàn)與電網友好互動。5GDHC 系統(tǒng)是由熱泵驅動的網絡，它使用超低溫熱網將樓宇連接在一起，并利用需求側響應優(yōu)化電力最佳使用時間。這實際上將熱泵和樓宇本身變成了分布式儲能系統(tǒng)，為電網提供了低成本的平衡服務。在一個可再生能源高度滲透的配電網中，熱泵池建立起電網和熱網的橋梁，并且能為電網提供輔助服務，如電壓控制、配電網中的擁塞管理、平衡發(fā)電和需求，并確保電網中的穩(wěn)定頻率、消納分布式可再生能源、參與需求側響應、虛擬儲能技術等［3］。

5GDHC 系統(tǒng)通過熱泵池與蓄熱提升電力系統(tǒng)靈活性帶來額外收益，而這類分布式資源的靈活性需要聚合成一定規(guī)模才能被電網調度或參與電力市場。研究顯示，高比例分布式能源的聚合為1 萬戶居民（約10 MW 電力負荷）或等價的工商業(yè)負荷是最有效的。當把地理區(qū)域范圍限制在中低壓配電網時，這樣的規(guī)模可以釋放出分布式發(fā)電與負荷聚合的最大效益。負荷聚合商通過整合其內部能源供應資源和電、熱等能源需求，構建適應本地能源供應能力及結構的能源需求曲線，可以顯著提高系統(tǒng)運行效率。聚合商主要是為中小負荷提供參與市場調節(jié)的機會，整合需求側資源并與其他市場主體進行交易。聚合商通過“虛擬電廠（VPP）”的先進信息通信技術和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式發(fā)電、儲能系統(tǒng)、可控負荷等分布式資源的聚合和協(xié)調優(yōu)化，并為電網提供能量與輔助服務。

能源元胞定義為一定的地理邊界范圍內，根據不同目標控制分布式資源集群的網絡區(qū)域，如圖5（a）所示［21］。能源元胞概念利用電力系統(tǒng)自然的分層級電壓體系來構建分布式資源的聚合和控制，將分布式發(fā)電和可控負荷作為系統(tǒng)資源參與市場，并用作緩解分布式發(fā)電上網連接限制的手段。能源元胞概念是分布式形態(tài)系統(tǒng)的典型代表，不僅可成為電力系統(tǒng)的分布式管理機制，還可成為熱力和燃氣甚至交通能源的分布式管理機制。5GDHC系統(tǒng)的擴展與元胞的生長演化十分類似。因為5GDHC 系統(tǒng)是漸進式的能源變革，不需要提前多年規(guī)劃大型能源站，可以根據項目的開發(fā)進度逐步投入，比如先建立樓宇供熱供冷網，然后連接擴張形成區(qū)域5GDHC 系統(tǒng)。

圖5 能源元胞拓撲和靈活性聚合的設備-樓宇-區(qū)域分層級示意圖Fig.5 Schematic diagram of energy cell topology and flexibility aggregation in device-building-district hierarchical level

能源元胞概念充分利用了“配電網電壓分層級、5GDHC 模塊化延展”的特征，依據電壓等級形成層級體系：設備層、樓宇元胞層、區(qū)域聚合商層，分別對應設備控制、本地能量管理系統(tǒng)（EMS）、聚合商協(xié)調管理系統(tǒng)。本文將樓宇元胞作為最小的元胞單元。自下而上的元胞進化模型將系統(tǒng)理解為自下而上、由基本成分組成的層級結構，級別成分構成了網絡，個體在網絡中相互作用，系統(tǒng)的功能則是這些相互作用的表現(xiàn)。層級體系的結構是復雜系統(tǒng)逐漸演變的內在方法，包含了進化的內涵，即要在簡單結構上構建更為復雜的結構，必須使用某種類型的模塊化設計，如圖5（b）所示。能源元胞相較于VPP 的一個重要優(yōu)勢：減少了中間交易環(huán)節(jié)的費用。這是因為元胞融合了微電網與VPP 的功能。VPP 因為關注發(fā)電資源而忽視本地負荷消費，但元胞給予用戶以優(yōu)惠價格使用本地發(fā)電機組的機會?；诖?，本文提出了構建一套基于5GDHC 系統(tǒng)能源元胞的分層級協(xié)調體系以及靈活性聚合與分配方法的思路。聚合商根據分時或實時電價、配電網約束等信息，協(xié)調智慧能源元胞中靈活性資源的啟停與運行。

設備層：把設備資源屬性及用戶舒適度偏好設置發(fā)送給元胞；從元胞接收啟?；虺隽φ{整指令，并進行調整。

元胞層：接收熱泵、水泵與蓄熱等設備資源的信息并進行聚合，計算設備出力分配的調度指令；發(fā)送出力調整指令給設備。

聚合商：接收元胞的出力列表信息并聚合，然后發(fā)送給配電網運營商（DSO），后者進行配電網運行安全域的邊界越限驗證及給出偏差電量罰款等指標。

利用能源元胞，供需資源的同時優(yōu)化變得可能。能源元胞模型內部由于簡化了網絡模型，因此可以對復雜擴展網絡的長時間尺度問題實現(xiàn)快速高效計算。然而元胞模型改變了原始網絡結構，丟失了表征網絡的信息，會導致原始未簡化網絡與簡化的元胞網絡模型之間的偏差。偏差指元胞之間聯(lián)絡線的有功和無功功率、聯(lián)絡管段的壓力與質量流率等偏差，以及整個網絡運行狀態(tài)與網損。因此，可利用補償方法以接近真實網絡［21］。

如果未來5GDHC 系統(tǒng)推廣，分布式熱泵的數量將會急劇增加。然而熱泵池均通過5GDHC 系統(tǒng)熱網管段連接，電熱網之間交互影響的動態(tài)特性與機理尚不明確。目前已有的需求側響應方法及靈活性資源聚合方法較少涉及5GDHC 系統(tǒng)熱泵池，需要進一步研究。

蓄熱方面，在5GDHC 系統(tǒng)中，一般有3 級蓄熱：系統(tǒng)層面的季節(jié)性蓄熱；末端分布式熱泵能源子站的短期蓄熱；用戶層面的瞬間蓄熱。管道本身也可以當作蓄熱罐看待。在有補熱的能源中心，可以利用太陽能或夜間電力對管道中的水進行預熱預冷。因此，不同于傳統(tǒng)熱網，分布式蓄熱、管段本身蓄熱與季節(jié)性蓄熱是5GDHC 系統(tǒng)蓄熱的特征，具體表現(xiàn)為：分布式蓄熱可根據所需位置存儲熱能，顯著降低相應管段流速峰值；5GDHC 系統(tǒng)管徑和管網流量大于常規(guī)供熱管網；5GDHC 系統(tǒng)同時供暖供冷，通常與季節(jié)性蓄熱如地埋管連接。

2 電熱網建模現(xiàn)狀分析

2.1 5GDHC 的研究現(xiàn)狀

文獻［3］在總結中國城市發(fā)展特點和方向的基礎上，提出了適應于建設低碳城市的能源總線系統(tǒng)概念，在歐洲被稱為5GDHC 系統(tǒng)［1，2，16］。所謂“能源總線”就是將來自于可再生能源或未利用能源的熱源/熱匯水，通過作為基礎設施的管網輸送到用戶。在城市范圍內，廣泛存在著各種低品質的能源資源，例如淺層地表蓄熱、江河湖海水、地下水、城市污水、工業(yè)余熱/廢熱、各種工藝排熱或建筑排熱，以及太陽能和空氣。這些低品質能源的特點是數量大但密度低，應用中存在效率低、不經濟等問題。5GDHC系統(tǒng)的熱源采用低品位能源、可再生能源、熱回收的能源，以及小部分高品位能源作為輔助熱源如燃氣鍋爐與空氣源熱泵等。在用戶端，總線來的水作為水源熱泵的熱源/熱匯，經換熱后回到源頭，或排放（地表水）或循環(huán)再次換熱（通過換熱器與各種“源”和“匯”耦合）或回灌（地下水）。已有“能源總線”相關文獻集中在建筑暖通學科層面，研究了能源總線與熱泵的能效評價等［3，22］。5GDHC 系統(tǒng)與第4 代區(qū)域供熱系統(tǒng)具有變革性的不同［1-2］。第4 代區(qū)域供熱系統(tǒng)是低溫區(qū)域供熱系統(tǒng)，它仍然是一種從中心能源站向末端熱力站或用戶集中供熱的模式，采用了低溫（30～60 ℃）供水，但系統(tǒng)結構與第3 代沒有很大差別［23］。其供熱主機可以不用燃燒型鍋爐而改用電力驅動熱泵，或利用工業(yè)廢熱［24］。5GDHC 系統(tǒng)定義為一個以水或鹽水為載體介質的熱能供應網，末端是帶有水源熱泵的混合熱力站。它的工作溫度非常接近環(huán)境溫度，因此不適合直接供暖。輸送的載體可以提供給分布式水源熱泵，滿足用戶的個性化需求。與區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)相比，5GDHC系統(tǒng)在低負荷率情況下的經濟運行和節(jié)能管理有更大的優(yōu)勢。5GDHC 系統(tǒng)具有可拓展性：城區(qū)建筑很多是分期建設，負荷是逐漸增加的，環(huán)網可以適應這種擴展。另外，用戶分布式水環(huán)熱泵系統(tǒng)可以根據項目的開發(fā)進度逐步投入。5GDHC 系統(tǒng)在中國已有多個項目投入應用［3］；國外也建成了5GDHC提升電網靈活性的項目［16］。文獻［6］全面回顧總結了現(xiàn)代區(qū)域供熱網的模型、運行與規(guī)劃，但是目前5GDHC 系統(tǒng)還沒有完整統(tǒng)一的設計與運行方法。

5GDHC 系統(tǒng)的物理特性表現(xiàn)為：1）雙向網絡：分布式水環(huán)熱泵產消者意味著有用戶輸入，也有用戶輸出；2）管網分布：未來熱力網將集成大量的分布式熱源，多源環(huán)狀熱力網水力交匯特性復雜；3）管網流量：管網水溫接近環(huán)境溫度，用戶側熱力站的進出口水溫差小，為保證用戶端熱泵性能，管徑和管網流量要大于常規(guī)供熱管網；4）流量調節(jié)：分布式循環(huán)水泵變頻調節(jié)的水力特性不僅與水泵選型有關，還與熱源、水力工況、定壓方式及管網拓撲結構有關；5）熱泵性能：熱泵機組的制熱量或制冷量是進水溫度的函數，熱網管段水溫的變化會影響末端機組的出力。

綜上，目前5GDHC 系統(tǒng)主要有以下研究方向：

1）仍以建筑暖通學科為主，較少涉及電網交互分析；

2）主要基于傳統(tǒng)前4 代熱網建模，即少量能源站的輻射狀網絡；

3）5GDHC 具有多源、環(huán)狀、雙向、超低溫、末端熱泵供暖等特性，且熱網管段與地埋管蓄熱的熱動態(tài)特性復雜。

2.2 電熱耦合網多能流建模理論

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)研究，在能源動力、化工以及經濟學等領域，通常對電力系統(tǒng)簡化處理，不計及潮流計算，可能導致非可行解，如電壓越限等［25］。在電力系統(tǒng)領域，中國高校與研究機構都開展了廣泛研究［4，5，26-32］。目前主要采用兩類基本模型，一類是能量樞紐模型，另一類是網絡拓撲模型。能量樞紐模型將電力系統(tǒng)的節(jié)點推廣為能量樞紐，能量樞紐等效為包含多能源向量（冷/熱/電/氣）以及儲能的輸入輸出端口模型［8，33］。基于網絡拓撲的聯(lián)合潮流模型中，文獻［9，11］將管網熱量傳輸的時延與熱損失進行拆分計算，熱損失采用穩(wěn)態(tài)模型計算。統(tǒng)一能路模型通過將氣、熱流體的偏微分方程轉化為常微分方程，可實現(xiàn)對氣、熱網絡動態(tài)特性的聯(lián)合仿真；通過將時域中的氣、熱網絡模型映射至頻域，可實現(xiàn)氣網、熱網與電網的統(tǒng)一建模［5］；文獻［34］從電路的角度出發(fā)，可將氣網和熱網中的元件類比為電路元件，從而提出與電路分析方法相統(tǒng)一的綜合能源系統(tǒng)分析方法；廣義電路模型通過將多能源網絡在時域的復雜特性轉換為復頻域的代數問題，可建立電、氣、熱多系統(tǒng)相統(tǒng)一的分布參數電路和網絡模型等［4］。另外廣義電路與統(tǒng)一能路理論假設為工質流量恒定，即處于僅改變供熱溫度的質調節(jié)運行模式［4］。質調節(jié)主要通過保持燃料輸入速率恒定而改變熱源的供熱溫度，量調節(jié)則保持熱源供熱溫度恒定，通過改變水泵頻率和閥門開度而改變管網流量。文獻［10］基于網絡和流的映射，用矩陣描述網絡，用功率方程描述能流，通過構建轉換效率矩陣與置換矩陣，將任意數量的各類能源設備映射到其電熱氣網所在的物理節(jié)點，構建所有設備出力與電熱氣網各能流方程關聯(lián)的聯(lián)合物理方程。文獻［35］通過把多能流聯(lián)合方程構建為優(yōu)化模型的等式約束，研究了各種能源存儲與轉換設備的協(xié)調優(yōu)化運行方法。文獻［36］基于分解協(xié)調方法研究了電熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行方法。

網絡流與運行可行域建模對綜合能源的價值至關重要，因為多能源設備的使用很可能會超過網絡運行限制。目前光伏發(fā)電、熱泵、電動汽車滲透率的提高造成配電網潮流和電壓的波動，引發(fā)配電網升級改造需求，包括改變網絡結構、擴大容量，以及某些調控資源的應用如儲能、有載調壓變壓器的使用。事實上，電熱綜合能源的建模仿真（不考慮優(yōu)化功能）還在研究發(fā)展中，正確的建模是一項艱巨的任務：冷熱網的慢動態(tài)特性、電熱網的復雜相互影響與多時空的綜合能源需求響應。文獻［37］通過有向加權圖研究電熱能量轉換關系，但是沒有電網與熱網的網絡流分析。文獻［38］基于電熱邊界可行域概念研究了考慮區(qū)域供熱管網熱傳導過程的CHP 電熱耦合系統(tǒng)的調度方法。文獻［39］研究了考慮樓宇熱慣性的電熱綜合能源調度的可行域方法。文獻［40-41］通過閔可夫斯基和（Minkowski sum）集成多個靈活性資源的功率集，形成靈活性多面體可行區(qū)域，通過投影到二維空間，形象地顯示由多個資源提供的總體靈活性。文獻［42］研究了分布式資源聚合組成的VPP 的可行域與靈活性運行域的計算方法與經濟分析。文獻［43-44］研究了多源環(huán)狀供熱網的熱力損耗與熱力暫態(tài)模型，文獻［45］兼顧熱網動態(tài)特性與精細化水力模型，但很少文獻研究5GDHC 系統(tǒng)中通過管段熱媒相連的熱泵池對配電網與熱網多時間尺度動態(tài)過程的影響。

綜上，當前電熱綜合能源網的研究大多局限于由少量熱電聯(lián)供機組構成的弱耦合網絡，存在如下缺陷：

1）未考慮5GDHC 系統(tǒng)構成的電熱網高密度耦合形態(tài)。

2）未考慮多源環(huán)狀雙向5GDHC 系統(tǒng)中熱源的熱交換量、總線水溫度和用戶熱泵機組工況三者互相耦合的復雜運行調節(jié)策略。

3）未考慮熱泵池強耦合改變了電熱綜合能源系統(tǒng)多時間尺度的水力-熱力分階段準穩(wěn)態(tài)過程。

2.3 分布式資源的靈活性聚合方法

高滲透率可再生能源消納問題歸根結底是電力系統(tǒng)的靈活性不足［46-47］。當前有很多學者研究如何通過電-熱綜合能源系統(tǒng)多能互補提升電力系統(tǒng)運行靈活性［48-50］，文獻［51］綜述了電制熱消納可再生能源的模型與靈活性潛力，主要分為2 類：一類是利用熱網蓄熱的慢動態(tài)特性，另一類是對溫控負荷的靈活性聚合。

第1 類主要通過部署儲熱裝置或者電加熱系統(tǒng)（如熱泵和電鍋爐）提高以熱定電CHP 機組的可調節(jié)能力，減少棄風問題［52］。文獻［7］圍繞熱力管網動態(tài)特性建模及電熱協(xié)調優(yōu)化等方面，回顧分析了利用熱力管網熱慣性提升電熱綜合能源系統(tǒng)調節(jié)能力的研究方法。文獻［53］全面研究了熱網和冷網的慢動態(tài)特性及蘊含的調度靈活性，應用于多能優(yōu)化調度。文獻［52］將電熱靈活性應用于解決風力發(fā)電消納與CHP 機組廣泛應用之間的矛盾。文獻［48］提出利用區(qū)域供熱網絡的蓄熱能力來增加靈活性，但求解方法較復雜。文獻［54］考慮熱力系統(tǒng)多重熱慣性（電儲熱鍋爐、熱網、建筑物）的電熱協(xié)調優(yōu)化運行模型。文獻［55］研究了含儲熱的電-熱聯(lián)供系統(tǒng)，應用能量流法構建包含儲熱、傳熱和漏熱過程在內的系統(tǒng)整體能量流模型，獲得系統(tǒng)中電能、熱能的整體傳輸約束。文獻［56］提出基于廣義蓄熱模型的靈活性評價方法，通過熱源爬坡速率、熱輸入極限和熱能容量這3 個靈活性指標量化評估區(qū)域熱力網絡在為電-熱系統(tǒng)提供平衡方面的能力。文獻［57］提出了在滿足熱網特性以及供能網絡電壓、溫度等節(jié)點狀態(tài)約束的條件下，考慮電/熱儲能互補協(xié)調的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調度方法。為分析熱網特性和電網交流潮流約束對系統(tǒng)優(yōu)化調度的影響，相關文獻討論了考慮與不考慮供能網絡特性兩種情況。文獻［58］建立了通過利用電熱轉換技術和建筑熱慣性消納不確定可再生能源的機會約束模型。文獻［59］指出熱能傳輸延時和熱網虛擬儲能特性主要體現(xiàn)在一次熱網中，二次熱網及用戶部分傳輸延時較小，動態(tài)過程不明顯；進一步提出熱能輸運準動態(tài)模型，考慮了熱能傳輸過程的延時性和一次熱網的虛擬儲能特性。在電-熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行中將熱網作為調度資源加以利用，可發(fā)揮電-熱系統(tǒng)的互補性。通過構建2 種場景，對綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調度中一次熱網的虛擬儲能調節(jié)潛力進行分析。算例分析得出CHP 機組出力不再追隨系統(tǒng)熱負荷，轉而開始響應系統(tǒng)電價激勵，將一部分熱出力從電價較高的時段平移到電價較低的時段來達到降低系統(tǒng)運行成本的目的，可平移熱出力的多少與熱網虛擬儲能的能力有關。

第2 類主要通過對異構、分散、多樣的分布式能源進行靈活性聚合。文獻［60］通過分布式協(xié)調控制靈活需求技術實現(xiàn)系統(tǒng)效益。文獻［61-62］通過多種能源存儲與轉換設備提高綜合能源系統(tǒng)的靈活性。少數研究靈活性優(yōu)化的文獻同時包含了電網潮流方程約束與熱網熱力流方程約束［63-64］。文獻［65］提出居民樓宇電熱系統(tǒng)的靈活性量化架構。文獻［66］研究了分布式靈活性資源設備的變工況特性。文獻［67］研究了熱泵與光伏-儲能系統(tǒng)運行的影響。文獻［68］針對分層級協(xié)調中聚合商與上下各層交互的信息邊界較不清晰，提出分層級的MPC 方法聚合熱泵以向電網提供靈活性。文獻［17］研究了5GDHC 系統(tǒng)通過熱泵與蓄熱之間的電熱轉換提供需求側響應，計算了所研究項目全年向電網提供靈活性服務的收益，包含固定頻率響應（FFR）、短期運行備用（STOR）與過網費（UoS），其中短期運行備用主要為減少電網阻塞。

綜上，目前綜合能源電熱耦合系統(tǒng)提升電力系統(tǒng)靈活性的研究有以下特點：

1）主要通過溫控負荷聚合（與熱網無關聯(lián)）或熱網管段的熱慣性和慢動態(tài)特性；

2）未考慮能源元胞的熱泵池均通過5GDHC 管段連接并相互影響；

3）未探討同時通過調控5GDHC 互聯(lián)熱泵池及利用熱網管道與地埋管蓄熱的慢動態(tài)特性提升電網靈活性。

3 探討

5GDHC 系統(tǒng)驅動的強耦合能源元胞研究方案具體參見附錄A。

目前，綜合能源系統(tǒng)主要基于傳統(tǒng)的前4 代熱網，熱媒溫度較高，用戶同時接入區(qū)域供熱網并安裝現(xiàn)場鍋爐或熱泵實現(xiàn)混合供熱的投資成本非常高，應用效果有限。本文基于暖通工程領域的5GDHC系統(tǒng)，水溫接近于環(huán)境溫度，用塑料管取代鋼管，管道無須保溫，大大降低了管道投資成本與熱力傳輸損耗，還可大量利用分布式的可再生能源。另外，不同于空氣源或土壤源，5GDHC 系統(tǒng)的恒溫水源提高了末端熱泵的效率，并能實現(xiàn)同時供冷供熱。

當前，電熱綜合能源網研究主要基于少量大型CHP 機組的弱耦合，即通過邊界外端口研究互相交互的多能源網絡等值端口模型。5GDHC 系統(tǒng)具有多源環(huán)狀雙向流動特性，通過高密度熱泵池、蓄熱與配電網緊密耦合，其熱慣性動態(tài)過程與配電網之間的交互機理與傳統(tǒng)CHP 熱網不同。本文提出建立基于能源元胞的耦合度更高的電-熱網絡模型，通過分析網絡流與可行域（邊界條件），可實現(xiàn)多時間尺度的強耦合電熱網方程求解。

現(xiàn)階段，電熱轉換提升靈活性的研究很少可以同時利用溫控負荷聚合與熱網熱慣性。在溫控負荷提升電網靈活性的研究中，所有熱泵設備與熱網無關聯(lián)，而5GDHC 系統(tǒng)中所有熱泵均通過管段熱媒相連并相互影響。本文將智慧能源元胞概念引入靈活性聚合，研究5GDHC 系統(tǒng)熱泵池作為電力系統(tǒng)可調控的靈活性資源以及調控熱泵池對配電網、5GDHC 系統(tǒng)及蓄熱等的動態(tài)交互影響，綜合解決電熱多種能源形式的聚合和分配方式，為電網調峰提供新的解決思路，推進數學和控制方法在電熱綜合能源系統(tǒng)中的工程應用。

4 結語

電熱綜合能源系統(tǒng)是典型的綜合能源系統(tǒng)類型，本文研究基于5GDHC 系統(tǒng)驅動的電熱網高密度深度融合網絡問題，研究涉及電氣工程、建筑暖通等學科交叉，通過5GDHC 系統(tǒng)驅動，同時集成冷熱的調控慢動態(tài)和電的快動態(tài)，從網級耦合揭示不同物質性質，提升電力系統(tǒng)的靈活性。本文聚焦于“強耦合元胞網絡流”和“智慧元胞靈活性聚合”研究，從5GDHC 系統(tǒng)的精細化建模、高密度耦合的能源元胞網絡流理論、能源元胞集的靈活性聚合等角度給出了研究思路與展望。

現(xiàn)階段綜合能源系統(tǒng)熱網研究主要針對中國北方地區(qū)，若采用5GDHC 系統(tǒng)驅動的能源元胞系統(tǒng)和分層級靈活性聚合方法，可望提高收益降低成本，實現(xiàn)應用在南方地區(qū)同時供冷供暖的目標。5GDHC 系統(tǒng)驅動的能源元胞將成為電網削峰和消納可再生能源的重要手段，促進能源資源優(yōu)化配置和綜合能效提升。未來全覆蓋的能源信息網絡和城市能源互聯(lián)網綜合監(jiān)測與管理平臺的建設為智慧能源元胞提供了更大的發(fā)展空間。后續(xù)將通過實際工程案例對網絡流理論與靈活性聚合算法的驗證等方面開展研究。本文提出的研究思路有望為電熱綜合能源系統(tǒng)建模優(yōu)化注入新的活力，在可再生能源消納、碳中和等均具有廣泛的應用前景。

基于5GDHC 的電熱綜合能源系統(tǒng)研究剛剛起步，希望本文工作能夠引起業(yè)內關注，推動相關研究的開展。

附錄見本刊網絡版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網絡全文。