綜合能源系統(tǒng)多能流聯(lián)合仿真技術(shù)研究

孫浩，陳永華

（南瑞集團(tuán)有限公司，南京211100）

0 引言

能源發(fā)展與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展緊密聯(lián)系、高度融合，決定了能源供需與經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境、資源等密切相關(guān)。目前，我國能源轉(zhuǎn)型正面臨消費(fèi)增速趨緩、傳統(tǒng)產(chǎn)能過剩、環(huán)境問題突出、整體效率較低等問題［1-3］。為進(jìn)一步推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國能源領(lǐng)域體制改革不斷深化，電力、油氣行業(yè)改革邁出重要步伐，競爭性環(huán)節(jié)市場更加開放，能源行業(yè)融合發(fā)展協(xié)調(diào)推進(jìn)。在這樣的大環(huán)境下，綜合能源系統(tǒng)的概念被提出之后，立刻成為關(guān)注熱點(diǎn)和研究焦點(diǎn)［4-6］。但保障行業(yè)長期健康發(fā)展的基礎(chǔ)性技術(shù)問題尚未得到解決，實(shí)用化的綜合能源系統(tǒng)統(tǒng)一建模與仿真技術(shù)手段尚未建立，目前學(xué)術(shù)界雖然建立了各類仿真建模模型和框架，但普遍存在元件庫缺失、迭代求解算法復(fù)雜、未能得到嚴(yán)格驗(yàn)證等問題，離工程化實(shí)用尚有較大差距［7-9］。

國內(nèi)方面，文獻(xiàn)［10］基于能源集線器理論，構(gòu)建熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型，考慮了不同耦合形式和能源供應(yīng)模式下的電力網(wǎng)絡(luò)和燃?xì)夤芫W(wǎng)的相關(guān)約束，給出了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的完全解耦、部分解耦和完全耦合的3 種運(yùn)行模式，并提出了適用的混合潮流算法。文獻(xiàn)［11］基于瞬時系統(tǒng)模擬程序（TRNSYS）設(shè)計(jì)了一套冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，研究結(jié)果為小型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的配置設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理提供了參考。此外，文獻(xiàn)［12］建立了冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)的能量流模型，并將其作為電網(wǎng)與天然氣網(wǎng)的耦合節(jié)點(diǎn)，推導(dǎo)了適用于天然氣網(wǎng)能量流計(jì)算的有限元節(jié)點(diǎn)法，提出了一種電-氣耦合微能源的能量流計(jì)算方法?；陂_源三相配電網(wǎng)潮流仿真軟件openDSS和MATLAB 平臺，對含冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（Combined Cooling，Heating and Power，CCHP）的微能源網(wǎng)進(jìn)行綜合仿真，分別計(jì)算了以電定熱和以熱定電2種典型運(yùn)行方式下夏季典型日的逐時能量流。

國外方面，文獻(xiàn)［13］對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)（IES）中的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲和消費(fèi)環(huán)節(jié)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)建模，提出了能量集線器（Energy Hub）的概念和數(shù)學(xué)模型，它是一個連接各子系統(tǒng)的廣義元件，同時圍繞這種能源耦合單元研究了設(shè)備的配置、潮流計(jì)算和調(diào)度問題。文獻(xiàn)［14］以耦合能源系統(tǒng)為研究對象，基于能源集線器對多能流綜合潮流進(jìn)行系統(tǒng)解耦，通過對能源集線器的分配系數(shù)進(jìn)行分析，探究了能源互補(bǔ)的協(xié)同效應(yīng)。相關(guān)學(xué)者指出，Energy Hub概念和能量流理論有助于建立綜合能源系統(tǒng)的通用理論分析框架。文獻(xiàn)［15］詳細(xì)研究了美國綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性依賴問題，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)流建模仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)自定義不同子系統(tǒng)的仿真時間和步長，求解效率高，在描述綜合能源系統(tǒng)的高維特性上具有重要意義。

針對這一現(xiàn)狀本文提出數(shù)字聯(lián)合仿真的研究思路，利用MATLAB 和TRNYSY 軟件之間的互聯(lián)互通，優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)水、電、氣、熱系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，為解決區(qū)域綜合能源示范應(yīng)用中的技術(shù)難點(diǎn)提供支撐平臺，同時也為綜合能源其他技術(shù)提供切實(shí)可行的仿真解決方案。

1 仿真軟件功能分析

目前，已有一些可用于綜合能源仿真的商業(yè)化軟件。這些軟件在各自擅長的仿真領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，拓展了綜合能源涉及的領(lǐng)域，初步具備綜合能源仿真能力，可以滿足規(guī)劃、設(shè)計(jì)、節(jié)能分析等不同工作的需求。然而針對更為復(fù)雜的控制策略、優(yōu)化運(yùn)行等研究工作，依然無法實(shí)現(xiàn)水、電、氣、熱系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，而是采用各專業(yè)軟件獨(dú)立分析的方式。

其中，已經(jīng)商業(yè)化的軟件包括NEPLAN，HOMER，EnergyPlus，TRNSYS，以及PSS?SINCAL。除了HOMER 軟件外，其他軟件均為聯(lián)合仿真提供了接口，其中EnergyPlus，TRNSYS 軟件代碼開源，有利于二次開發(fā)和聯(lián)合數(shù)字仿真。

以上提到的5種軟件均在不同程度上支持電力和熱力的聯(lián)合仿真。其中，PSS?SINCAL，NEPLAN支持天然氣和供水仿真，可以實(shí)現(xiàn)電、熱、氣、水的部分聯(lián)合仿真功能。5 種軟件都支持區(qū)域級別的仿真，雖然PSS?SINCAL，NEPLAN 在區(qū)域級別的仿真性能表現(xiàn)優(yōu)越，但不支持建筑物級別的仿真。在熱力仿真方面，PSS?SINCAL，NEPLAN，TRNYSY 都有廣泛應(yīng)用。

2 聯(lián)合仿真總體架構(gòu)

2.1 TRNSYS仿真軟件

TRNSYS（Transient System Simulation）軟件是瞬時系統(tǒng)模擬程序，最早由美國威斯康星麥迪遜分校的Solar Energy 實(shí)驗(yàn)室（SEL）開發(fā)，并在歐洲一些研究所的共同努力下逐步完善。TRNSYS 軟件在各個領(lǐng)域中的熱工問題都有對應(yīng)模塊，可用于建筑物全年的逐時能耗分析、優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)方案，以及太陽能系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、燃料電池和風(fēng)力發(fā)電的模擬計(jì)算。

TRNSYS 的2017 版本正式加入了熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）元件庫，涵蓋燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、吸收式制冷機(jī)、余熱回收鍋爐等熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的裝置模型，可以實(shí)現(xiàn)分布式冷、熱、電系統(tǒng)的仿真。

2.2 MATLAB/Simulink與TRNSYS聯(lián)合仿真系統(tǒng)

Simulink 是MATLAB 中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB 的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink 提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無須大量書寫程序，而只需要通過簡單、直觀的鼠標(biāo)操作，即可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。其中，SimPowerSystems 隸屬于Simulink 環(huán)境，元件庫豐富，是電氣專業(yè)經(jīng)常使用的仿真軟件，可用于電路、電力系統(tǒng)、電機(jī)、電力電子及大系統(tǒng)的分析等。

然而，目前Simulink 仿真工具并不涉及熱力學(xué)仿真領(lǐng)域，部分涉及熱力學(xué)的仿真計(jì)算無法實(shí)現(xiàn)，例如太陽能光熱系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)，無法滿足綜合能源仿真的需求。

2.3 技術(shù)方案

經(jīng)過2.2 節(jié)的分析，我們選擇開源的TRNSYS軟件，利用其豐富的熱力學(xué)元件庫，與MATLAB/Simulink 構(gòu)建綜合能源聯(lián)合仿真平臺，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建運(yùn)行優(yōu)化仿真平臺，滿足綜合能源系統(tǒng)更深層次的仿真需求。

本文提出了基于TRNSYS 與MATLAB/Simulink軟件平臺建立面向建模仿真和運(yùn)行優(yōu)化相關(guān)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)設(shè)備模型庫，涵蓋冷、熱、電、氣等各個專業(yè)模型，包括光伏，儲能，冷、熱、電三聯(lián)供等多種耦合元件模型。運(yùn)行優(yōu)化仿真驗(yàn)證平臺模塊整體基于MATLAB 軟件平臺。聯(lián)合仿真系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。其中，場景構(gòu)建、數(shù)據(jù)輸入，以及優(yōu)化結(jié)果分析與展示基于MATLAB 自帶的圖形用戶界面（GUI）的前端界面展示功能；針對既定場景與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算則利用MATLAB 平臺調(diào)用核心算法包。

圖1 聯(lián)合仿真系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of the co-simulation system

3 TRNSYS建模與封裝

TRNSYS中的Simulation Studio為模型的調(diào)用和仿真提供模擬平臺，仿真時需要調(diào)用多個設(shè)備模型、控制模塊、輔助工具模塊、算法編輯模塊等，正確地設(shè)定參數(shù)和鏈接才能完成仿真工作。以冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)仿真為例，軟件建模如圖2 所示。該模型涉及近30 個基本模塊及參數(shù)配置，輸入、輸出環(huán)節(jié)眾多。

如果是針對傳統(tǒng)的冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，上述建模仿真分析的環(huán)節(jié)是必要的。但對于聯(lián)合仿真系統(tǒng)，冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)與綜合能源系統(tǒng)之間僅僅處在電、冷、熱、氣幾個參數(shù)的耦合，一旦三聯(lián)供系統(tǒng)參數(shù)配置確定后，中間過程和復(fù)雜的建模過程對聯(lián)合仿真的意義并不大。因此，合理地封裝冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)，將其看作一個統(tǒng)一的模型，輸入/輸出在電、冷、熱、氣4個參數(shù)中選擇，就能滿足聯(lián)合仿真的需求。通過不同工作模式（以熱定電或以電定熱）在TRNSYS中的Simulation Studio 平臺搭建仿真模型，完成參數(shù)配置與優(yōu)化后，將整個模型打包封裝成針對聯(lián)合仿真的特定功能模塊。之后，MATLAB/Simulink 平臺就可以將冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)當(dāng)做一個模塊來進(jìn)行調(diào)用。

4 多能流聯(lián)合數(shù)字建模仿真平臺內(nèi)部的數(shù)據(jù)交互

4.1 FMI接口方案

功能模型接口FMI（Functional Mock - up Interface）是獨(dú)立于各類建模軟件的標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，可用于集成不同軟件建立的、不同詳細(xì)程度的模型進(jìn)行聯(lián)合仿真。

圖2 冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)建模Fig.2 Modeling of a CCHP system

FMI通過定義可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）文件來描述仿真組建，通過應(yīng)用程序接口（API）來定義接口。API 可以采用C 語言編寫?；贔MI 協(xié)議封裝后的模型為功能模型單元（FMU）。FMU 可以采用支持FMI 技術(shù)的仿真接口軟件來實(shí)現(xiàn)，將不同仿真軟件建立的仿真模型轉(zhuǎn)換封裝成FMU，封裝后的FMU可以跨平臺使用，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。MATLAB 與TRNSYS通過FMI的連接如圖3所示。

圖3 MATLAB與TRNSYS通過FMI的連接Fig.3 FMI interface connecting MATLAB and TRNSYS

4.2 TRNSYS的FMI接口

目前，已經(jīng)有針對MATLAB，TRNSYS 等仿真軟件的FMI 協(xié)議仿真軟件接口程序。FMI++TRNSYS FMU Export Utility 是專門針對TRNSYSY 仿真模型的FMU 模型生成器。它是一款開源的獨(dú)立運(yùn)行的第三方軟件程序，主要提供如下功能:

（1）通過與TRNSYS 內(nèi)部FMI 適配器接口模型Type6139 的配合使用，實(shí)現(xiàn)對TRNSYS 軟件內(nèi)部仿真模型基于FMI協(xié)議的編譯和封裝。當(dāng)TRNSYS 仿真模型在運(yùn)行過程中，外部的其他仿真環(huán)境可以通過Type6139 實(shí)時與TRNSYS 仿真模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（2）提供圖形化的用戶界面，方便使用者生成XML模型描述文件、共享動態(tài)鏈接庫（DLL）、添加天氣實(shí)時變換的數(shù)據(jù)信息。

FMI++ TRNSYS FMU 導(dǎo)出工具是一個獨(dú)立的工具，以FMI++庫的代碼和Boost C++庫為基礎(chǔ)，用于從TRNSYS 模型導(dǎo)出用于聯(lián)合仿真的FMU。在TRNSYS 模型中，外部應(yīng)用程序能夠通過FMI 的模擬接口并利Type6139 訪問。這個接口允許外部應(yīng)用程序檢索/發(fā)送來自/發(fā)送到TRNSYS 模型運(yùn)行時的數(shù)據(jù)。FMI 接口適配器如圖4 所示。通過軟件的圖形用戶界面把建好的TRNSYS 模型導(dǎo)出為FMU文件，該文件包括XML 模型描述文件和共享庫?？梢灾付ǜ郊游募ㄈ缣鞖馕募┖蛯?dǎo)出變量的起始值。

FMI++庫引入了前端、后端和適配器的概念，用于為各種各樣的工具提供接口。前端通過被外部應(yīng)用程序使用的具有主算法的FMI 組件與TRNSYS互動。FMI 接口適配器工作流程如圖5 所示。通過前端，主算法能夠控制仿真的執(zhí)行（開始、停止、前進(jìn)），并能夠在運(yùn)行時從TRNSYS 中檢索/發(fā)送數(shù)據(jù)。后端是TRNSYS 和前端之間的通用網(wǎng)關(guān)，支持運(yùn)行時控制和數(shù)據(jù)交換。此連接通過共享內(nèi)存訪問建立。適配器是仿真工具中使用后端的專用組件。Type6139 是TRNSYS 軟件中一個自帶模塊的編號，該模塊的作用相當(dāng)于一個適配器。

圖4 FMI接口適配器Fig.4 Interface adapter of FMI

圖5 FMI接口適配器工作流程Fig.5 Work flow of an FMI interface adapter

4.3 TRNSYS模型Type6139

為了能夠讓TRNSYS 建立的仿真模型可以應(yīng)用于其他仿真軟件，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，TRNSYS 提供了與FMU 相對應(yīng)的適配器接口模型Type6139。Type6139 分 為2 類 模 型:Type6139a 和Type6139b。功能見表1。

表1 Type6139功能Tab.1 Menu of Type6139 models

4.4 MATLAB的接口FMI

在MATLAB 中，F(xiàn)MI++ MATLAB 工具箱與其他和FMI 相關(guān)的工具箱不同，它不限于將FMU 導(dǎo)入Simulink 模型或從Simulink 模型導(dǎo)出FMU。相反，它允許使用MATLAB 提供的所有功能。它支持以下特性:

（1）將用于模型交換的FMU（FMI 1.0 和FMI 2.0）導(dǎo)入到MATLAB腳本中；

（2）將用于協(xié)同仿真的FMU（FMI 1.0）導(dǎo)入到MATLAB腳本中；

（3）將MATLAB 腳本導(dǎo)出為用于協(xié)同仿真的

FMU（FMI 1.0）。

5 區(qū)域綜合能源的數(shù)字聯(lián)合仿真

以南方某大學(xué)為仿真場景，確定綜合能源系統(tǒng)仿真規(guī)模。校區(qū)內(nèi)建筑類型眾多，不僅有教學(xué)樓等公共建筑、宿舍樓等居住建筑，還有食堂、浴室等生活輔助建筑。存在冷、熱、電、氣多樣化的用能需求，冬、夏2季冷、熱負(fù)荷的需求極不均衡，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差較大。為高效滿足用能需求，學(xué)校配置有CCHP 系統(tǒng)、分布式光伏。仿真場景系統(tǒng)如圖6 所示，場景的設(shè)備參數(shù)見表2。

圖6 仿真場景系統(tǒng)Fig.6 System diagram of the simulation scenario

表2 設(shè)備參數(shù)Tab.2 Parameters of the apparatus

在Simulink 仿真環(huán)境下，構(gòu)建了微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)模型，可實(shí)現(xiàn)1 年365 天的快速穩(wěn)態(tài)仿真，包括光伏、儲能、夏季和冬季負(fù)荷等。

因MATLAB 中不含有冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)的模型，所以在TRNSYS 中搭建三聯(lián)供系統(tǒng)的仿真模型，按照以熱定電的方式根據(jù)冷、熱、電負(fù)荷需求配置系統(tǒng)。

TRNSYS 中三聯(lián)供系統(tǒng)建模如圖7 所示。調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)1 年365 天的穩(wěn)態(tài)仿真，并將整個三聯(lián)供系統(tǒng)通過Type6139 封裝成三聯(lián)供模塊供MATLAB調(diào)用。TRNSYS 中的三聯(lián)供仿真模型封裝如圖8所示。

圖7 TRNSYS中三聯(lián)供系統(tǒng)建模Fig.7 Modeling of CCHP system in TRNSYS

在完成以上工作之后，就可以在MATLAB 中通過FMI 接口調(diào)用三聯(lián)供模塊，與其他模型建立數(shù)據(jù)的連接，實(shí)現(xiàn)區(qū)域綜合能源的MATLAB/Simulink 與TRNSYS 數(shù)字聯(lián)合仿真，MATLAB 中的三聯(lián)供模塊的調(diào)用如圖9所示。

圖8 TRNSYS中三聯(lián)供仿真模型封裝Fig.8 Encapsulation of the CCHP simulation model in TRNSYS

圖9 MATLAB中的三聯(lián)供模塊的調(diào)用Fig.9 Calling of CCHP module in MATLAB

6 結(jié)束語

本文針對區(qū)域綜合能源仿真，提出了跨平臺數(shù)字化聯(lián)合仿真的技術(shù)方案，利用MATLAB 和TRNSYS 實(shí)現(xiàn)區(qū)域綜合能源的數(shù)字聯(lián)合仿真。采用模型封裝的思想，將復(fù)雜的三聯(lián)供系統(tǒng)封裝成為固定輸入、輸出的模塊，并在MATLAB 中成功調(diào)用TRNSYS 中封裝的三聯(lián)供模塊，實(shí)現(xiàn)了綜合能源的數(shù)字聯(lián)合仿真。本文的研究成果，可以進(jìn)一步拓展應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多軟件平臺的數(shù)字聯(lián)合仿真，也為硬件在環(huán)仿真、物理模型仿真等后續(xù)工作提供了技術(shù)支撐。