電力-天然氣綜合能源系統(tǒng)建模與仿真

常曉勇，王玉婷，陳福鋒，李玉平，徐程驥

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210032；2.南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211153）

0 引言

能源問題和環(huán)境問題是人類21世紀面臨的兩大難題，制約著人類社會的可持續(xù)發(fā)展。近年來，雖然我國的智能電網(wǎng)建設(shè)不斷取得突破性進展，但是人們逐漸意識到，單獨依靠智能電網(wǎng)仍然無法很好地解決大規(guī)?？稍偕茉吹南{問題[1]。此外，隨著社會能源消耗總量的不斷增長，采用傳統(tǒng)的各能源系統(tǒng)單獨規(guī)劃、建設(shè)、運行的發(fā)展模式無法實現(xiàn)不同能源形式之間的優(yōu)勢互補，影響能源的綜合利用效率，不利于降低能源整體成本[2]。為此，提出了綜合能源系統(tǒng)的概念。

綜合能源系統(tǒng)是指在規(guī)劃、建設(shè)和運行等過程中，通過對能源的產(chǎn)生、傳輸與分配（能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)）、轉(zhuǎn)換、存儲和消費等環(huán)節(jié)實施有機協(xié)調(diào)與優(yōu)化，進而形成的能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)，是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要載體[3]。綜合能源系統(tǒng)主要由供電、供氣、供冷/熱、電氣化交通等不同能源系統(tǒng)組成，利用先進的信息網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)，實現(xiàn)多種能源系統(tǒng)的深度融合和緊密互動，促進能源及設(shè)備的高效利用，提高能源系統(tǒng)安全性和可靠性。通常，按照地理范圍可把綜合能源系統(tǒng)分為跨區(qū)綜合能源系統(tǒng)、區(qū)域綜合能源系統(tǒng)和終端能源系統(tǒng)[4]。

目前，國內(nèi)外對于綜合能源系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，當前的關(guān)注焦點主要集中在多能源系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃、穩(wěn)態(tài)分析、潮流計算、經(jīng)濟調(diào)度和運行優(yōu)化等方面。文獻[5]研究了基于冷/熱/電三聯(lián)供系統(tǒng)的多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃問題，實現(xiàn)了系統(tǒng)中各類能源的優(yōu)化利用。文獻[6]對電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進行了穩(wěn)態(tài)建模和求解，研究了天然氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的影響。文獻[7]提出了一種適用于電、熱、氣的綜合能源系統(tǒng)擴展Newton-Raphson多能潮流計算方法，可以在系統(tǒng)不同運行場景下對多能潮流進行計算和分析。文獻[8]提出了一種計及風、光出力和電、熱負荷不確定性的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模型，利用CVaR理論研究了不確定性因素對系統(tǒng)調(diào)度產(chǎn)生的影響。文獻[9]以綜合能源系統(tǒng)的供暖體系為研究對象，利用供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的經(jīng)濟性模型，實現(xiàn)了供應(yīng)側(cè)電廠運行效率和需求側(cè)居民用電成本的雙目標優(yōu)化。

除了上述研究方向以外，綜合能源系統(tǒng)中各能源網(wǎng)絡(luò)相互之間的動態(tài)影響問題也是一個需要研究的重要課題。然而，目前國內(nèi)外針對該課題的研究成果還不是很多。文獻[10]通過建立天然氣網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)仿真模型，研究了天然氣網(wǎng)絡(luò)和電力網(wǎng)絡(luò)之間的相互影響，然而文中主要側(cè)重天然氣網(wǎng)絡(luò)的研究，對電力網(wǎng)絡(luò)進行了簡化，并且只考慮了能量通過燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)從天然氣網(wǎng)絡(luò)向電力網(wǎng)絡(luò)流動的情況，并未考慮能量從電力網(wǎng)絡(luò)向天然氣網(wǎng)絡(luò)流動的情況。

隨著燃氣輪機發(fā)電技術(shù)和P2G（電轉(zhuǎn)氣）技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，天然氣系統(tǒng)在能源系統(tǒng)中的重要性越來越顯著，天然氣網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)絡(luò)之間的耦合也越來越緊密。因此，本文選取電-氣互聯(lián)的終端能源系統(tǒng)為研究對象，基于MATLAB/Simulink仿真軟件搭建了包含電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)和耦合環(huán)節(jié)（微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)和P2G系統(tǒng)）的終端能源系統(tǒng)仿真平臺，在此基礎(chǔ)上研究了微電網(wǎng)動態(tài)過程對天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的影響。

1 電-氣互聯(lián)終端能源系統(tǒng)建模

以一個簡化的終端能源系統(tǒng)為研究對象，系統(tǒng)拓撲如圖1所示。該系統(tǒng)主要由一個交流微電網(wǎng)和一個天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)組成，二者之間通過一個微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)和一個P2G系統(tǒng)相互耦合。其中，微電網(wǎng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和負載等部分組成，通過PCC（公共連接點）的升壓變壓器接入上一級配電網(wǎng)，具有孤島運行和并網(wǎng)運行2種不同模式；天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)為一個簡單的低壓供氣網(wǎng)絡(luò)，通過一個調(diào)壓閥接入上一級天然氣網(wǎng)，調(diào)壓閥同時負責對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的管道壓力進行動態(tài)調(diào)節(jié)，維持管道壓力在規(guī)定范圍內(nèi)。

圖1 電-氣互聯(lián)終端能源系統(tǒng)拓撲

圖1所示系統(tǒng)中，微型燃氣輪機作為天然氣網(wǎng)絡(luò)中的負荷，利用天然氣燃燒做功，驅(qū)動同步發(fā)電機發(fā)電，同時作為微電網(wǎng)中的電源為電力負載供電；P2G系統(tǒng)作為微電網(wǎng)中的負載，根據(jù)電化學反應(yīng)和催化反應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為氫氣和甲烷，同時作為天然氣網(wǎng)絡(luò)中的氣源，將生成的氣體注入天然氣網(wǎng)絡(luò)進行存儲或供其他負載使用。

1.1 微電網(wǎng)建模

針對微電網(wǎng)中的光伏發(fā)電系統(tǒng)，首先采用文獻[11]中的方法建立光伏組件的數(shù)學模型，其次將光伏組件進行串聯(lián)和并聯(lián)后組成光伏陣列，最后通過電壓源型DC-AC變流器接入微電網(wǎng)。通過對DC-AC變流器直流側(cè)母線電壓進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)光伏發(fā)電的MPPT（最大功率點跟蹤）控

制[12]。

針對微電網(wǎng)中的電池儲能系統(tǒng)，采用等效電路的建模方法搭建了電池單體模型[13]。電池陣列通過雙向DC-AC變流器接入微電網(wǎng)。當微電網(wǎng)運行于并網(wǎng)模式時，電池儲能系統(tǒng)采用PQ控制，根據(jù)微電網(wǎng)中央控制單元下發(fā)的功率指令，進行有功功率和無功功率調(diào)節(jié)；當微電網(wǎng)運行于孤島模式時，電池儲能系統(tǒng)配合微電網(wǎng)中的微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)，參與微電網(wǎng)的電壓和頻率調(diào)節(jié)。

1.2 天然氣網(wǎng)絡(luò)建模

采用文獻[10]中的建模方法，將天然氣流假設(shè)為一維流體，利用質(zhì)量守恒定律和牛頓第二運動定律，得到表示動態(tài)天然氣流的連續(xù)性方程和動量方程。采用有限元近似的思想，將連續(xù)性方程和動量方程由偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程：

式中：p為壓力；A為管道的橫截面積；c為天然氣中聲音的傳播速度；M為以質(zhì)量計量的天然氣流量；D為管道直徑；f為摩擦系數(shù)；L為管道的長度。

天然氣網(wǎng)絡(luò)中調(diào)壓閥的功能是維持其出口壓力在設(shè)定值，為了模擬調(diào)壓閥的動態(tài)特性，采用簡化模型為：

1.3 耦合環(huán)節(jié)建模

微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)中主要包括微型燃氣輪機、發(fā)電機和變流器。微型燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室和透平組成，采用單軸型結(jié)構(gòu)[14]。根據(jù)微型燃氣輪機各部分的數(shù)學模型建立微型燃氣輪機的整體模型，微型燃氣輪機驅(qū)動永磁同步發(fā)電機發(fā)電，然后經(jīng)過整流器、逆變器及濾波器并入微電網(wǎng)。微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)拓撲如圖2所示。其中永磁同步發(fā)電機與微型燃氣輪機同軸，由于其轉(zhuǎn)速較高，需要首先經(jīng)過AC-DC變流器將高頻交流轉(zhuǎn)換為直流，再經(jīng)過DC-AC變流器將直流轉(zhuǎn)換為工頻交流。

如圖2所示的控制器中，AC-DC變流器采用轉(zhuǎn)速控制：ωg為測量到的發(fā)電機轉(zhuǎn)速，與額定轉(zhuǎn)速ωn比較，對誤差進行PI控制，得到q軸參考信號isqref，d軸參考信號isdref=0；根據(jù)永磁同步發(fā)電機的三相電壓usabc、三相電流isabc和相角θs，進行dq變換得到d軸電流isd和q軸電流isq，分別與isdref和isqref比較，對誤差進行PI控制，輸出AC-DC變流器的SPWM控制信號。DC-AC變流器采用功率控制：根據(jù)DC-AC變流器輸出三相電壓uabc、三相電流iabc和相角θ，進行dq變換得到電壓的d軸分量ud和q軸分量uq，以及電流的d軸分量 id和 q 軸分量 iq； 根據(jù) ud， uq， id， iq計算得到DC-AC變流器輸出有功功率Pgrid和無功功率Qgrid，分別與參考值進行比較，經(jīng)過PI控制，得到d軸參考信號idref和q軸參考信號 iqref；idref和iqref分別與id和iq進行比較，經(jīng)過PI控制，輸出DC-AC變流器的SPWM控制信號。

圖2 微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)拓撲

P2G技術(shù)是指利用電能將H2O和CO2轉(zhuǎn)化為H2或CH4的過程。P2G的實現(xiàn)過程主要包括電解水和氫氣甲烷化2個步驟，如圖3所示。其中，微電網(wǎng)中的電能首先需要通過AC-DC轉(zhuǎn)換為直流，其次輸入P2G系統(tǒng)。

圖3 P2G系統(tǒng)拓撲

對于水電解環(huán)節(jié)，針對目前小容量裝置中普遍采用的PEM（聚合物電解質(zhì)膜）水電解技術(shù)，采用一種基于等效模型的建模方法，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到裝置中單體的I-V外特性表達式和H2產(chǎn)生速率表達式，從而得到其數(shù)學模型[15]。模型單體的外特性和制氫速率如圖4所示。電解水裝置根據(jù)其容量大小由若干個單體共同組成。

圖4 聚合物電解質(zhì)電解水模型單體特性曲線

目前關(guān)于甲烷化反應(yīng)裝置動態(tài)運行過程的研究成果較少，因此在建模過程中忽略了這部分的動態(tài)過程。

2 電-氣互聯(lián)終端能源系統(tǒng)仿真

為了對文中所搭建的仿真模型的動態(tài)特性進行驗證，在MATLAB/Simulink仿真平臺中按照圖1所示系統(tǒng)搭建了仿真模型，設(shè)計了不同算例，分別進行仿真和分析。

2.1 算例1

當微電網(wǎng)中分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不足時，微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)投入運行，采用功率控制模式進行發(fā)電，此時P2G系統(tǒng)處于退出運行狀態(tài)。研究了微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率波動時對天然氣網(wǎng)絡(luò)的影響，仿真波形如圖5所示。其中，當t=20 s時，微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率由額定值下降50%。根據(jù)圖5中的仿真波形可知，當微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率發(fā)生波動時，其需要的天然氣量也隨之波動，由于天然氣動態(tài)流動是一個具有很大慣性時間常數(shù)的長時間過程，因此天然氣網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的壓力值會受到微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)進氣口流量波動的影響，產(chǎn)生相應(yīng)的波動，并且這種波動現(xiàn)象會由節(jié)點2開始，由近及遠依次進行傳播。

圖5 算例1仿真波形

2.2 算例2

當微電網(wǎng)中分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出有功充足時，微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)退出，P2G系統(tǒng)投入運行。研究了P2G系統(tǒng)的動態(tài)過程對天然氣網(wǎng)絡(luò)的影響，仿真波形如圖6所示。其中，當t=20 s時，P2G系統(tǒng)的輸出由額定值下降50%。由圖6的仿真結(jié)果可知，與微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)相似，P2G系統(tǒng)的動態(tài)過程同樣會對天然氣網(wǎng)絡(luò)的氣體壓力產(chǎn)生影響。圖6中，由于P2G系統(tǒng)輸出的氣體流量突然減少，導致其接入節(jié)點（節(jié)點3）的氣壓突然降低，由于天然氣動態(tài)流動的大慣性時間常數(shù)特性，與節(jié)點3相鄰的節(jié)點2和節(jié)點4的氣壓在經(jīng)過一段延時后也會發(fā)生相應(yīng)的波動，并且天然氣網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的氣壓波動需要一個較長的過渡過程才能逐漸恢復穩(wěn)定。

圖6 算例2仿真波形

3 結(jié)語

針對電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)中電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)在動態(tài)運行過程中的相互影響進行了初步研究。選取一個微電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)絡(luò)相互耦合的終端能源系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)中各組成單元的數(shù)學模型，并在MATLAB/Simulink仿真平臺上完成了系統(tǒng)仿真模型的搭建。在此基礎(chǔ)上，通過仿真研究了微電網(wǎng)的動態(tài)過程對天然氣網(wǎng)絡(luò)的影響，分析了微電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)絡(luò)之間的耦合環(huán)節(jié)。分析了當微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)和P2G系統(tǒng)的輸出發(fā)生波動時天然氣管道中氣體壓力的動態(tài)變化過程。研究成果為進一步分析綜合能源系統(tǒng)的動態(tài)過程提供了理論基礎(chǔ)，為深入研究綜合能源系統(tǒng)的運行控制和故障特征提供了試驗平臺。