電熱綜合能源系統(tǒng)中熱力管網(wǎng)動態(tài)建模及協(xié)調(diào)運(yùn)行研究綜述

徐飛，郝玲*，陳磊，田冉，魏名山，陳群，閔勇

（1.清華大學(xué)電機(jī)系（電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），北京市 海淀區(qū) 100084；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京市 海淀區(qū) 100081；3.清華大學(xué)工程力學(xué)系（熱科學(xué)與動力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），北京市 海淀區(qū) 100084）

0 引言

電熱綜合能源系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的綜合能源系統(tǒng)類型之一，電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)二者運(yùn)行特性互補(bǔ)，是未來實(shí)現(xiàn)高比例可再生能源接入電網(wǎng)的重要應(yīng)用場景與載體[1-2]。電熱綜合能源系統(tǒng)一直未有十分清晰的定義，從綜合能源系統(tǒng)的定義可知，電熱綜合能源系統(tǒng)即為集電/熱能生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲、利用于一體的綜合能源系統(tǒng)。熱電聯(lián)產(chǎn)和冷熱電聯(lián)供是較早出現(xiàn)的電熱綜合能源系統(tǒng)的形式，熱力發(fā)電也是一種熱力系統(tǒng)，由于發(fā)電循環(huán)可以歸入電力系統(tǒng)，故電熱綜合能源系統(tǒng)可理解為由常規(guī)火電、風(fēng)/光/水電等電力系統(tǒng)與集中供熱系統(tǒng)、區(qū)域供冷系統(tǒng)及儲熱、儲冷等典型熱力系統(tǒng)耦合而成[3]，如圖1所示。

圖1 電熱綜合能源系統(tǒng)示意圖Fig.1 Integrated electrcity and heat energy systems

在可再生能源未大規(guī)模接入電網(wǎng)前，電熱綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化主要以供給側(cè)的協(xié)調(diào)為主體，即協(xié)調(diào)發(fā)電機(jī)組、電網(wǎng)與集中供熱熱源的運(yùn)行，其主要目的為提高能源效率等，對集中供熱系統(tǒng)、區(qū)域供冷系統(tǒng)的熱力管網(wǎng)、熱用戶、換熱器等部件的運(yùn)行管理較為粗放，熱力管網(wǎng)及熱用戶等部件的運(yùn)行特性也很少被納入系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度范疇。隨著高比例可再生能源接入電網(wǎng)，熱電聯(lián)產(chǎn)以熱定電的模式制約了電力系統(tǒng)的靈活性，僅從發(fā)電和供熱的供給端調(diào)節(jié)不能適應(yīng)可再生能源大規(guī)模接入的發(fā)展形勢，故從熱力管網(wǎng)、換熱器、熱用戶等熱力傳輸及負(fù)荷環(huán)節(jié)中尋求新的調(diào)節(jié)能力提升方式的研究需求日益迫切[4]，電熱協(xié)調(diào)的范圍已逐漸從能源供給側(cè)擴(kuò)展到傳輸側(cè)、負(fù)荷側(cè)等。

利用熱力管網(wǎng)熱慣性提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的具體原理是：熱源與熱用戶間存在一定的空間距離，則管網(wǎng)熱源處的高溫?zé)崦剿杞?jīng)過一定的“熱量傳輸延遲”才能到達(dá)熱用戶。也就是說，熱量從熱源傳遞到熱用戶期間，相當(dāng)于將這部分熱量“儲存”在管網(wǎng)中，使得管網(wǎng)具備一定的被動儲熱能力[5]。與促進(jìn)新能源消納的主動儲熱技術(shù)效果類似，被動儲熱可打破供熱量與熱負(fù)荷實(shí)時平衡的剛性約束，提高電熱綜合能源系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，促進(jìn)可再生能源消納[6]。該方法是對已有的管網(wǎng)運(yùn)行方式進(jìn)行改進(jìn)，無需增加額外的設(shè)備投資，也無需對現(xiàn)有發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行大的調(diào)整[7-8]，在可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性等方面具有優(yōu)勢[9]，故逐漸受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[10]。文獻(xiàn)[11]建立了管道熱媒水熱量傳輸過程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并將其納入電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型，結(jié)果表明考慮供熱管道在電力調(diào)度中的傳輸延遲可使得風(fēng)電消納提升35.5%。文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn)在電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度中考慮供熱管網(wǎng)的天然儲熱能力可使風(fēng)電消納提升12.31%。

總地來說，將熱力管網(wǎng)納入電熱綜合能源系統(tǒng)調(diào)度、并對其進(jìn)行精細(xì)化管理可以提升可再生能源消納量，同時還可滿足用戶日益升高的熱舒適性需求[13-14]，但是，這給電力、熱力系統(tǒng)動態(tài)的協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)[15-16]。在集中供熱系統(tǒng)研究領(lǐng)域，熱力管網(wǎng)的水力及熱力計(jì)算并不是新問題，已有較成熟的仿真模型，運(yùn)行調(diào)節(jié)機(jī)制也較為完善，但將其納入電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化模型后則出現(xiàn)算法兼容性差、管網(wǎng)及其他重要元件模型精度低、計(jì)算復(fù)雜程度高等問題[17-18]，目前已有的計(jì)及熱力管網(wǎng)的電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化模型所考慮的因素各異，仍未形成統(tǒng)一的模型[19]。具體存在三方面問題：第一，熱力管網(wǎng)的動態(tài)熱量傳輸模型是非線性方程，大多采用數(shù)值方法求解，難以與電力系統(tǒng)算法兼容；第二，熱力管網(wǎng)屬于熱量傳輸環(huán)節(jié)，考慮其瞬態(tài)模型意味著要同時考慮與熱力管網(wǎng)密切相關(guān)的熱用戶、換熱器等關(guān)鍵部件的運(yùn)行特性，這些多參數(shù)、時延性、非線性的熱力系統(tǒng)模型給計(jì)算進(jìn)一步帶來難度；第三，熱力管網(wǎng)具備獨(dú)立的運(yùn)行調(diào)節(jié)機(jī)制，當(dāng)電力系統(tǒng)與熱力管網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化時，熱力管網(wǎng)原運(yùn)行模塊仍發(fā)揮作用，在實(shí)現(xiàn)電熱綜合能源協(xié)調(diào)優(yōu)化時必須將熱力系統(tǒng)自身運(yùn)行模式納入考慮，僅以電力系統(tǒng)性能為指標(biāo)會導(dǎo)致分析偏差。以下從熱力管網(wǎng)動態(tài)建模、其他關(guān)鍵部件建模及熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行三方面對已有研究展開回顧。

1 熱力管網(wǎng)動態(tài)建模

本文提到的熱網(wǎng)熱量傳輸模型是基于能量守恒定律建立的，可同時適用于一次網(wǎng)、二次網(wǎng)。是否在電熱綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化中考慮一次網(wǎng)、二次網(wǎng)模型取決于具體案例。通常一次網(wǎng)連接熱源與換熱站，供熱半徑較大；二次網(wǎng)連接換熱站與熱用戶，而供熱站位置的選取以距離熱用戶較近為原則，二次網(wǎng)較短。故二次網(wǎng)的熱量傳輸延遲很短，其對電力系統(tǒng)調(diào)度的影響極小，本文述及的電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化通常僅以長度較大、熱慣性較強(qiáng)的一次網(wǎng)為重點(diǎn)，但并不絕對，針對二次網(wǎng)也較長的案例，則需同時考慮一次網(wǎng)、二次網(wǎng)的熱量傳輸延遲。

1.1 傳統(tǒng)熱力模型

熱力管網(wǎng)的非穩(wěn)態(tài)熱力模型可為熱力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)、電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化提供精確約束[20-21]，包含兩部分：第一是管道的熱量傳輸動態(tài)模型，用于求解沿途熱損失與傳輸時延；第二是網(wǎng)絡(luò)的水力與熱力拓?fù)淠Ｐ停糜谇蠼飧骶W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量、熱量的分流與匯流過程。管道熱量傳輸動態(tài)模型是復(fù)雜熱力管網(wǎng)建模的基礎(chǔ)：文獻(xiàn)[22-23]從20世紀(jì)90年代研究集中供熱系統(tǒng)管網(wǎng)水力、熱力模型，首先在能量守恒定律的基礎(chǔ)上，列出管道熱量傳輸動態(tài)特性微分方程，見式（1），其初始條件與邊界條件見式（2），并提出了元素法（element method）與節(jié)點(diǎn)法（node method）兩種數(shù)值解法，見式（3）、式（4）；其次將管道的方程代入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嚪匠踢M(jìn)行求解；最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這兩種方法具有較高的精度[24-26]。元素法中逐時出口溫度是通過逐時進(jìn)口溫度與各節(jié)點(diǎn)初始溫度計(jì)算的，而節(jié)點(diǎn)法的逐時出口溫度的數(shù)值解是關(guān)于初始溫度與一定時刻之前的進(jìn)口溫度的函數(shù)。這兩種數(shù)值解法精度較高，但是具有高度的非線性，內(nèi)在參數(shù)關(guān)系復(fù)雜。

式中：φ為管內(nèi)熱流體的過余溫度，K；Tw、Ts分別為熱流體與管外周圍土壤的溫度，K；v為流體速度，m/s；a為熱流體向土壤的散熱系數(shù)，W·m-2·K-1；t、x分別為時間項(xiàng)與空間項(xiàng)，s、m。

式中：φ0(x)、φi(t)分別表示管內(nèi)熱流體的初始溫度與各時刻進(jìn)口溫度，即式(1)的初始條件與邊界條件。

元素法的基本數(shù)值離散格式見式（3）。

式中：i、j分別表示離散的空間節(jié)點(diǎn)與時間節(jié)點(diǎn)；(j+1)代表時刻節(jié)點(diǎn)j的下一時刻；(i-1)代表空間節(jié)點(diǎn)i的上一節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)法的基本數(shù)值解表達(dá)式見式（4）。

文獻(xiàn)[27]借鑒元素法，建立了雙管道的熱量傳輸微分方程，并采用數(shù)值方法求解得到單根管道出口水溫隨進(jìn)口水溫的動態(tài)變化曲線；在此基礎(chǔ)上，并未建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，而是結(jié)合流量-負(fù)荷等經(jīng)驗(yàn)公式得到熱力管網(wǎng)出口水溫的延遲特性。文獻(xiàn)[28]研究了熱水供熱管道動態(tài)熱力工況，依據(jù)能量守恒定律，采用集總參數(shù)法針對管道熱量傳輸過程建立了瞬態(tài)模型，分別提出單獨(dú)考慮熱損失的管網(wǎng)“散熱模型”與同時考慮散熱效應(yīng)與儲熱特性的“蓄熱模型”，并采用數(shù)值解法進(jìn)行求解。

以上傳統(tǒng)數(shù)值解法求解的熱傳輸延遲時間精度較高，在熱力系統(tǒng)內(nèi)已被廣泛應(yīng)用。但是將其納入現(xiàn)有電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度則出現(xiàn)問題?，F(xiàn)有電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型中主要包含發(fā)電機(jī)組約束、電網(wǎng)傳輸約束等。其中，用于求解電網(wǎng)傳輸特性的潮流模型通常采用電網(wǎng)等值計(jì)算方法，先將復(fù)雜電網(wǎng)轉(zhuǎn)化為等值電路，并建立相應(yīng)的導(dǎo)納矩陣方程，最后對該方程進(jìn)行求解。以圖2的電路為例，其潮流方程和導(dǎo)納矩陣分別如式（5）、式（6）所示。

式中：下角標(biāo)i=1～n表示節(jié)點(diǎn)序號；I表示節(jié)點(diǎn)電流；V表示節(jié)點(diǎn)電壓；Y表示節(jié)點(diǎn)間的導(dǎo)納值。

圖2 簡單電路案例Fig.2 Example of a simple electrical circuit

可以看出，式（5）為線性化矩陣方程。方程中I與V僅有一組量未知，導(dǎo)納矩陣Y為該方程的系數(shù)。導(dǎo)納是電導(dǎo)和電納的統(tǒng)稱，用來表征節(jié)點(diǎn)電壓與電流間的定量關(guān)系，反映了交流電通過電路或系統(tǒng)時的困難程度。在電力電子學(xué)中導(dǎo)納定義為阻抗的倒數(shù)值。該方程為線性、代數(shù)約束，可直接代入優(yōu)化調(diào)度模型中進(jìn)行求解。

由于熱力系統(tǒng)模型的求解主要采用數(shù)值解法，數(shù)值解形式如式（3）、式（4）所示，數(shù)值迭代過程引入了大量中間節(jié)點(diǎn)溫度（除全時刻進(jìn)口溫度與出口溫度以及初始溫度以外的其他溫度，都為中間節(jié)點(diǎn)溫度），內(nèi)在參數(shù)關(guān)系復(fù)雜；這導(dǎo)致現(xiàn)有熱力模型無法與電力調(diào)度系統(tǒng)通用的線性化模型兼容。此外，實(shí)際場景中復(fù)雜管網(wǎng)的熱量傳輸模型比單根管道的情形非線性程度更高，進(jìn)一步為電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化帶來難度。因此，有必要從模型算法及物理意義的角度實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)模型與電力系統(tǒng)優(yōu)化模型的統(tǒng)一。

1.2 適用于電力系統(tǒng)調(diào)度的熱力管網(wǎng)模型

為解決上述問題，電力系統(tǒng)的學(xué)者將其進(jìn)行適當(dāng)簡化。文獻(xiàn)[29]提出將管網(wǎng)熱量傳輸?shù)臅r延與熱損失拆分計(jì)算，用動態(tài)模型計(jì)算延遲，熱損失則采用穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算，見式（7）；再將兩個結(jié)果組合代入電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，精度較原始模型有所降低，但計(jì)算便利。文獻(xiàn)[30-31]對節(jié)點(diǎn)法模型進(jìn)行改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上提出了熱量傳輸?shù)木€性化模型，基于改進(jìn)的節(jié)點(diǎn)法建立了計(jì)及管網(wǎng)的電熱聯(lián)合調(diào)度模型。文獻(xiàn)[32]建立了考慮供熱管網(wǎng)改進(jìn)節(jié)點(diǎn)法模型、用戶熱舒適性柔性約束的電熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，結(jié)果表明該模型可通過電-熱供需曲線的平移與最優(yōu)匹配，實(shí)現(xiàn)可再生能源消納水平的大幅提升。然而，改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)法模型與電力系統(tǒng)兼容性好，但計(jì)算時刻不能從0時刻起始，精度較傳統(tǒng)數(shù)值解法略低。

式中：Tout、Tin分別代表管道出口與進(jìn)口水溫，K；Ts代表土壤溫度，K；λ為管道的單位長度的換熱系數(shù)，W·m-1·K-1；L為管道軸向長度，m；m為質(zhì)量流量，kg·s-1；cp為熱流體的比熱容，J·kg-1·K-1。

文獻(xiàn)[33]借鑒節(jié)點(diǎn)法思路，采用統(tǒng)一能路方法，將熱力管網(wǎng)動態(tài)熱力過程比擬為類似于電路的“熱路”模型，使方程形式統(tǒng)一為矩陣形式，為熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化提供模型基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[34]在節(jié)點(diǎn)法基礎(chǔ)上，對方程進(jìn)行拉普拉斯變換，并將供熱管道比擬為包含電阻、電容、電感的電路，如圖3所示。據(jù)此得到的出口溫度關(guān)于進(jìn)口溫度的代數(shù)方程，如式（8）所示。該熱網(wǎng)動態(tài)模型可用于電力系統(tǒng)調(diào)度，但其主要用于求解大于τ時刻后的出口溫度變化曲線，小于τ時刻的溫度動態(tài)變化規(guī)律則不易掌握。

圖3 供熱管網(wǎng)熱量傳輸用等效電路[34]Fig.3 Equivalent circuit of the district heating pipe in Ref.[34]

式中：T是流體溫度，K；x是管內(nèi)某點(diǎn)到進(jìn)口的距離，m；t是時間，s；τ是流體從進(jìn)口流至出口所需時間，s；ρ是流體密度，kg·m-3；A是管道橫截面積，m2；m是流體質(zhì)量流量，kg·s-1。

文獻(xiàn)[35]等基于能量守恒定理建立了熱力管網(wǎng)的熱量傳輸動態(tài)微分方程，借鑒電磁暫態(tài)理論中的諾頓等值計(jì)算方法，提出熱電比擬電路與等效熱電路，見圖4—圖5。圖4中的T1、T2等分別表示各連續(xù)流體微元的溫度；E1～En表示各流體微元間由于對流導(dǎo)致的溫度增加；Ts表示周圍土壤溫度；R1～Rn表示各流體微元與外界的熱阻；C1～Cn表示各流體微元自身的內(nèi)能儲存。圖5中的q1表示由于溫度變化而存儲在流體微元中的熱能，q2表示節(jié)點(diǎn)(i-1,j)和(i,j)之間的熱流量，q3是節(jié)點(diǎn)(i,j+1)到土壤的熱損失。

圖4 供熱管網(wǎng)初步熱電比擬圖[35]Fig.4 Electricity-thermal-analogue circuit of district heating pipe in Ref.[35]

圖5則借鑒電磁暫態(tài)諾頓等值計(jì)算方法，將圖4中的熱網(wǎng)熱量傳輸?shù)臒犭姳葦M圖進(jìn)一步簡化，省略中間溫度，實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)動態(tài)模型的線性化。具體過程是，將q2分解為q2a與q2b，則可將圖4所示的比擬電路轉(zhuǎn)換為僅包含上一節(jié)點(diǎn)在上一時刻的溫度，依次類推則可將出口溫度表示為僅關(guān)于進(jìn)口溫度與初始溫度的函數(shù)，中間節(jié)點(diǎn)溫度被省略，最終建立了出口溫度關(guān)于進(jìn)口水溫的線性化矩陣方程，如式（9）所示。由于Ai、Bj是關(guān)于流體流動參數(shù)及管道結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，屬已知量，故該模型可直接用于電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化。

圖5 熱網(wǎng)等效熱電路[35]Fig.5 Thermal-electrical-analogy equivalent model of the heating pipes in Ref.[35]

式中：Tout,nΔτ表示第n個時間間隔Δτ處的出口溫度，K；T為流體微元溫度，K；下標(biāo)i和j分別表示空間節(jié)點(diǎn)和時間節(jié)點(diǎn)；m為管道的空間節(jié)點(diǎn)數(shù)；則Ti,0表示空間節(jié)點(diǎn)i的初始溫度，K；Tin,j表示進(jìn)口在時間節(jié)點(diǎn)j的溫度，K。

上述兩種方法都是從熱力學(xué)原理出發(fā)，結(jié)合電力系統(tǒng)算法，借助數(shù)學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)了電熱模型物理意義與形式的化歸統(tǒng)一，兼具精度與兼容性，為熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化提供良好的模型基礎(chǔ)。但要實(shí)現(xiàn)電、熱兩個系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行管理，僅完成兼容性高的模型還是不夠的，還需將與熱力管網(wǎng)運(yùn)行密切相關(guān)的其他部件、以及管網(wǎng)自身運(yùn)行機(jī)制融入電力系統(tǒng)調(diào)度，通過優(yōu)化運(yùn)行效果的優(yōu)劣檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃浴?/p>

2 電熱協(xié)調(diào)中其他關(guān)鍵部件建模

集中供熱（供冷）系統(tǒng)包含熱（冷）源、熱用戶、熱力管網(wǎng)及水泵等輔助動力裝置，其中熱力管網(wǎng)作為集中供熱系統(tǒng)的核心元件，不能將其孤立出來納入電力調(diào)度中，而應(yīng)將其與區(qū)域能源系統(tǒng)中的其他關(guān)鍵部分（包括換熱器、回水管網(wǎng)集水器以及熱用戶等）[36]一并考慮。

針對換熱器，文獻(xiàn)[37]在電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型中考慮了一次網(wǎng)與二次網(wǎng)換熱過程的約束。文獻(xiàn)[38-39]將熱力管網(wǎng)水力及熱力模型納入電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化，重點(diǎn)分析了熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)的耦合優(yōu)化運(yùn)行效果，但是其供水溫度是在給定換熱量與回水溫度的條件下求解的，未考慮換熱器換熱過程約束，導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際換熱過程存在一定偏差。

針對熱用戶，文獻(xiàn)[40]為重點(diǎn)分析電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行效果，直接給定用戶熱負(fù)荷，雖然有利于分析整體效果，但是未對熱用戶穩(wěn)態(tài)換熱過程進(jìn)行全面分析，即未考慮二次網(wǎng)與用戶、用戶與室外環(huán)境的換熱過程，無法根據(jù)室外溫度和供水溫度求得用戶室內(nèi)溫度。另外，給定各時刻熱負(fù)荷為確定值，根據(jù)建筑供暖標(biāo)準(zhǔn)，滿足用戶熱舒適性的室內(nèi)溫度可在一定范圍內(nèi)波動，給定熱負(fù)荷則導(dǎo)致用戶室內(nèi)溫度從一段區(qū)間縮小為一個點(diǎn)，為評估管網(wǎng)所能提供的調(diào)節(jié)能力帶來分析偏差。文獻(xiàn)[41]將柔性熱負(fù)荷納入其電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，并研究了熱負(fù)荷波動對可再生能源消納、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱出力的影響規(guī)律，結(jié)果較可靠。

針對回水管網(wǎng)集水器，文獻(xiàn)[29]建立了回水節(jié)點(diǎn)的溫度混合模型，符合實(shí)際情景。文獻(xiàn)[42]提出了計(jì)及回水管網(wǎng)熱損失的熱力系統(tǒng)潮流前推回代算法，不僅考慮了回水混合過程，而且將回水在傳輸過程中的熱損失計(jì)入混合過程，具有較高的計(jì)算精度，研究結(jié)果表明回水管網(wǎng)熱損失較大，若忽略將會造成優(yōu)化結(jié)果的偏差（回水管網(wǎng)向周圍土壤的散熱通常小于供水管網(wǎng)，但是忽略該傳輸延遲與熱損失會造成回水溫度計(jì)算值高于實(shí)際值、計(jì)算供熱量小于實(shí)際所需值；為降低計(jì)算偏差，則不可忽略回水管網(wǎng)的熱量傳輸特性）。

與管網(wǎng)運(yùn)行密切相關(guān)的各關(guān)鍵部分運(yùn)行特性建模是影響熱力管網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的重要因素，在構(gòu)建電熱協(xié)調(diào)模型過程中，應(yīng)當(dāng)對其予以充分考慮，以為實(shí)際的系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行提供準(zhǔn)確的運(yùn)行邊界。

3 熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行研究

在完成熱力管網(wǎng)和與熱力管網(wǎng)密切相關(guān)的關(guān)鍵部件建模后，最終目的是將其納入電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)電熱協(xié)調(diào)運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化，僅單一地考慮電力或者熱力系統(tǒng)性能是不足的，最終要從運(yùn)行層面建立協(xié)調(diào)運(yùn)行策略與綜合性能指標(biāo)。熱力管網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式研究比較成熟，但是在電熱綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行中對熱力管網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)機(jī)制考慮還不全面，下面對電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化中熱力管網(wǎng)的質(zhì)、量調(diào)節(jié)與溫度反饋調(diào)節(jié)機(jī)制的研究方法進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 管網(wǎng)流量調(diào)節(jié)的研究方法

熱力管網(wǎng)主要采用質(zhì)調(diào)節(jié)、量調(diào)節(jié)、分階段變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)、質(zhì)量并調(diào)以及間歇調(diào)節(jié)等5種傳統(tǒng)方式[43-44]。其中，質(zhì)調(diào)節(jié)僅調(diào)節(jié)管網(wǎng)熱媒水供水溫度，量調(diào)節(jié)僅調(diào)節(jié)熱媒水流量，其他3種調(diào)節(jié)方式則是針對不同類型供熱場景的細(xì)分調(diào)節(jié)方式[45]。這幾種調(diào)節(jié)方式本質(zhì)上都是對溫度和流量進(jìn)行穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)（如圖6所示），未在管網(wǎng)調(diào)節(jié)中對管網(wǎng)熱量傳輸動態(tài)特性進(jìn)行深入分析。僅考慮穩(wěn)態(tài)模型導(dǎo)致熱量傳輸延遲被忽略，無法實(shí)時保證用戶熱舒適性[46]，故管網(wǎng)的動態(tài)運(yùn)行調(diào)節(jié)仍然是研究熱點(diǎn)[47-48]。

電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化方法考慮了熱量傳輸動態(tài)特性，但是為了簡化分析，僅考慮質(zhì)調(diào)節(jié)機(jī)制，未考慮流量調(diào)節(jié)[49]。導(dǎo)致流量對于熱量傳輸延遲等動態(tài)特性的影響被忽略[50]：傳統(tǒng)管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)量調(diào)節(jié)的主要目的僅在于改變循環(huán)泵功，對供熱量的影響幾乎不予考慮[51]，然而在實(shí)際的動態(tài)電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行中，改變流量對管網(wǎng)熱量傳輸特性影響較大，而熱量傳輸動態(tài)特性對逐時供熱量、用戶熱舒適性以及電熱綜合能源系統(tǒng)中的可再生能源消納量有較大影響。因此，有必要將流量納入動態(tài)的管網(wǎng)調(diào)節(jié)與電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化中，分析電熱綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵性能參數(shù)即風(fēng)電消納量、供熱量、用戶熱舒適性隨流量的變化趨勢及內(nèi)在原因，以尋求使系統(tǒng)綜合性能達(dá)到最優(yōu)的熱媒水流量值。

3.2 管網(wǎng)溫度反饋調(diào)節(jié)機(jī)制的研究方法

圖6 熱力管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)示意圖Fig.6 Sketch of the operation and regulation mechanism for district energy network

目前文獻(xiàn)中將管網(wǎng)模型納入電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化的主要目的在于分析考慮熱量傳輸延遲對于可再生能源消納的促進(jìn)作用，但對熱力管網(wǎng)自身運(yùn)行調(diào)節(jié)的影響探討不足。以文獻(xiàn)[4]為例，該研究建立了考慮管道熱量傳輸動態(tài)特性的電熱聯(lián)合優(yōu)化模型，以分析熱力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的整體影響，對比分析了在系統(tǒng)調(diào)度中考慮熱損失與不考慮情形下的風(fēng)電消納量，得出了對照組（系統(tǒng)調(diào)度中不考慮管網(wǎng)熱損失）比實(shí)驗(yàn)組（精確考慮管網(wǎng)熱損失）的供熱量低，風(fēng)電消納量大的結(jié)論。該結(jié)論的趨勢與常理不同（精確的管道熱損失模型反而會導(dǎo)致棄風(fēng)量增大），導(dǎo)致結(jié)果偏離的原因就在于用于保證用戶熱舒適性的溫度反饋調(diào)節(jié)機(jī)制未被考慮。

盡管熱力系統(tǒng)目前的運(yùn)行處于粗放控制階段，在熱力調(diào)節(jié)中未對熱量傳輸延遲時間定量考慮，但是實(shí)際管網(wǎng)運(yùn)行中通常設(shè)有室溫或回水測溫反饋裝置，一旦一次網(wǎng)回水溫度過低，就意味著供熱量小于用戶熱負(fù)荷，管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)中心隨即增大熱源供熱量，以充分保證用戶熱舒適性。可以推斷，如果在文獻(xiàn)[4]中考慮管網(wǎng)自身溫度反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，那么在供熱計(jì)劃中不考慮熱損失就會導(dǎo)致供熱量不足，回水溫度低于預(yù)期溫度，供熱調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)收到溫度反饋后，會下發(fā)提高供熱量的指令，實(shí)際供熱量會比計(jì)劃值高。也就是說，不考慮熱損失情形的供熱量可能與考慮熱損失的情形相同。因此，將熱力管網(wǎng)自身的溫度反饋調(diào)節(jié)機(jī)制納入電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化是準(zhǔn)確評估熱力管網(wǎng)對提升清潔能源消納所起作用的前提。

4 總結(jié)

本文梳理了利用熱力管網(wǎng)熱慣性提升電熱綜合能源系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的研究進(jìn)展，從熱力管網(wǎng)動態(tài)建模、其他關(guān)鍵部件建模以及熱力管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)機(jī)制方面進(jìn)行回顧分析，得到3個結(jié)論。第一，熱力管網(wǎng)動態(tài)建模是實(shí)現(xiàn)電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化的基礎(chǔ)；目前提出的等效熱電路法、能路法均具備良好精度與兼容性佳的優(yōu)勢，已初步解決了熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)計(jì)算不兼容的問題，但各類建模方法的有效性和可靠性尚需通過后續(xù)協(xié)調(diào)優(yōu)化效果檢驗(yàn)。第二，目前研究較少對與管網(wǎng)運(yùn)行密切相關(guān)的換熱器、熱用戶及回水管網(wǎng)集水器等部件進(jìn)行考慮，極大程度影響電熱綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化結(jié)果的合理性，故還需在后續(xù)研究中補(bǔ)充完善。第三，要發(fā)揮電熱綜合能源系統(tǒng)中熱力管網(wǎng)潛在的調(diào)節(jié)能力，僅單一地將熱力系統(tǒng)動態(tài)特性納入電力系統(tǒng)運(yùn)行是不足的，還需考慮熱力管網(wǎng)自身運(yùn)行調(diào)節(jié)機(jī)制，包括流量調(diào)節(jié)與溫度反饋調(diào)節(jié)，最終從運(yùn)行層面建立電熱協(xié)調(diào)運(yùn)行策略與電熱系統(tǒng)綜合性能評價指標(biāo)。

總之，熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制是實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)、滿足居民日益提高的熱舒適性需求的有效手段。在實(shí)現(xiàn)過程中，并不能只著眼于電力系統(tǒng)或者熱力系統(tǒng)的局部，更要厘清學(xué)科內(nèi)建模及優(yōu)化運(yùn)行的方法，再跳出學(xué)科、實(shí)現(xiàn)學(xué)科間理論的交叉融合。不僅要實(shí)現(xiàn)電力、熱力系統(tǒng)模型的兼容性，還要綜合考慮熱力管網(wǎng)自身優(yōu)化運(yùn)行原則與電力系統(tǒng)調(diào)度方法，真正實(shí)現(xiàn)供給側(cè)、負(fù)荷側(cè)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、儲能側(cè)的協(xié)調(diào)運(yùn)行與最優(yōu)資源配置。