基于能量樞紐的能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究

南鈺，鄭罡，王方蘇，王軍亭

[摘? ? 要]隨著以風(fēng)電、光伏、冷熱電聯(lián)供、儲(chǔ)能為代表的分布式能源資源高滲透接入，如何通過(guò)增強(qiáng)源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)互動(dòng)，充分調(diào)動(dòng)多方積極性，使綜合能源系統(tǒng)更加高效、低碳、智能，已成為世界范圍內(nèi)廣泛關(guān)注的研究領(lǐng)域。文章從技術(shù)角度分析能量樞紐的能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行問(wèn)題，以期提高能源應(yīng)用效能，為多能源利用和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供研究基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]能量樞紐;綜合能源系統(tǒng);協(xié)同運(yùn)行;優(yōu)化調(diào)度;需求響應(yīng)

[中圖分類號(hào)]TM73 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）12–0–02

Research on Key Technologies of Energy Internet

Collaborative Operation based on Energy Hub

Nan Yu，Zheng Gang，Wang Fang-su，Wang Jun-ting

[Abstract]With the high penetration access of distributed energy resources represented by wind power， photovoltaic， cogeneration and energy storage， how to enhance the coordination and interaction of source network loads， fully mobilize the enthusiasm of various parties， and make the integrated energy system more efficient， low-carbon and intelligent has become a research field of widespread concern in the world. This paper analyzes the coordinated operation of energy Internet in energy hub from the perspective of technology， in order to improve energy application efficiency and provide a research basis for multi energy utilization and social sustainable development.

[Keywords]energy hub; integrated energy system; cooperative operation; optimal scheduling; demand response

在能源技術(shù)蓬勃發(fā)展的當(dāng)前，冷熱氣及分布式能量接入配電網(wǎng)進(jìn)行就地消納是最有效的利用方式，存在廣闊應(yīng)用前景[1]。從能源利用的角度來(lái)看，配電網(wǎng)中能夠參與互動(dòng)響應(yīng)的資源數(shù)量迅速上升，技術(shù)不完善模式下建立的配電網(wǎng)逐步產(chǎn)生一些問(wèn)題，如發(fā)電能量及分布式發(fā)電滲透率受限。因此，為有效促進(jìn)多能源的高效應(yīng)用，需要不斷提升配電網(wǎng)及多能源網(wǎng)絡(luò)互協(xié)技術(shù)，為多能源利用和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供研究基礎(chǔ)。

1 基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理

1.1 能量樞紐

隨著以風(fēng)電、光伏、冷熱電聯(lián)供、儲(chǔ)能為代表的分布式能源資源高滲透接入，如何通過(guò)增強(qiáng)源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)互動(dòng)，充分調(diào)動(dòng)多方積極性，使綜合能源系統(tǒng)更加高效、低碳、智能，已成為世界范圍內(nèi)廣泛關(guān)注的研究領(lǐng)域。微電網(wǎng)、智能配用電系統(tǒng)、主動(dòng)配電網(wǎng)等技術(shù)概念應(yīng)運(yùn)而生，共性地指出了未來(lái)配用電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，即考慮多方訴求，通過(guò)多源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃、“源—網(wǎng)—儲(chǔ)—荷”的穩(wěn)定控制與協(xié)調(diào)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定與可靠性要求下的清潔能源最大化消納[2]。

能源樞紐（Energy Hub， EH）是儲(chǔ)能、冷熱電聯(lián)供、負(fù)荷等多種用能形態(tài)的集合體，是構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，近年來(lái)逐漸受到電力行業(yè)的重視。作為一種輸入—輸出的雙端口模型，能源樞紐的作用在于對(duì)多能源系統(tǒng)中耦合關(guān)系、符合需求、能源供應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)交換等問(wèn)題進(jìn)行描述，能夠分析和規(guī)劃多能源系統(tǒng)。它的另一個(gè)作用還在于對(duì)多能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，且在多能源綜合管理中體現(xiàn)出不同能源的互通互聯(lián)性，能夠確保能源從生產(chǎn)到消費(fèi)的運(yùn)營(yíng)自由，突破了原有的能源運(yùn)營(yíng)壁壘。

1.2 電/氣/熱綜合能源系統(tǒng)

電—?dú)狻獰峋C合能源系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)多能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的協(xié)同運(yùn)行，需要對(duì)冷/熱/氣的冷熱電三聯(lián)供的典型特性進(jìn)行調(diào)研并建立特性模型。在模型建立時(shí)，要掌握對(duì)各種供能設(shè)備的作用以及冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型是將各種供能設(shè)備、負(fù)荷、能量轉(zhuǎn)換裝置（如制冷機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)等）以及冷熱電儲(chǔ)能裝置等匯集在一起的配備保護(hù)裝置的綜合能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

區(qū)域能量管理系統(tǒng)（EMS）通過(guò)信息流調(diào)控能量流，保障微電網(wǎng)運(yùn)行的安全高效。能源結(jié)構(gòu)如圖2所示。

綜合性的電氣熱能源系統(tǒng)，它的特定負(fù)荷能夠確保多種能源需求得到滿足，也使單一能源網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)不在是負(fù)荷需求唯一能依賴的方式。而單純考量電力的需求響應(yīng)無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的供需優(yōu)化協(xié)調(diào)，僅考慮電力資源調(diào)控模型與調(diào)控方法不能滿足綜合需求響應(yīng)的技術(shù)要求。本文從用戶側(cè)綜合需求響應(yīng)角度出發(fā)，最大限度地挖掘電/氣/熱多種能源的響應(yīng)潛力，通過(guò)綜合需求響應(yīng)達(dá)到能源樞紐供需協(xié)調(diào)優(yōu)化的效果。

基于EH多能源協(xié)同的特性，除了考慮EH參與電網(wǎng)的需求響應(yīng)，還考慮EH電/熱/冷多種類型用戶的需求響應(yīng)行為以及氣網(wǎng)非hub用戶的需求響應(yīng)行為。其中，冷/熱資源在EH內(nèi)部發(fā)生轉(zhuǎn)移與交換，而氣網(wǎng)響應(yīng)用戶通過(guò)EH中的CHP參與綜合需求響應(yīng)。根據(jù)需求響應(yīng)機(jī)制和負(fù)荷需求，構(gòu)建綜合能源樞紐優(yōu)化運(yùn)行目標(biāo)，并進(jìn)行優(yōu)化求解。

通過(guò)基于能量樞紐的區(qū)域能量管理系統(tǒng)能夠促進(jìn)更多地冷熱氣以及分布式能源項(xiàng)目接入配電網(wǎng)中，提升運(yùn)行效率，降低配網(wǎng)因多能源接入的故障率，促進(jìn)新能源消納，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。

2 基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行控制技術(shù)

2.1 基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)正常態(tài)協(xié)同運(yùn)行技術(shù)

本文以提升綜合能源系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)內(nèi)分布式新能源發(fā)電的就地消納能力，降低系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程造成的電能損耗，促進(jìn)終端用戶對(duì)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化的主動(dòng)參與，挖掘各能源單元的使用潛力，提升綜合能源利用水平為建設(shè)運(yùn)行目標(biāo)。基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行控制包括調(diào)節(jié)可控分布式電源出力、調(diào)整儲(chǔ)能原件負(fù)荷與柔性負(fù)荷，以及通過(guò)操作聯(lián)絡(luò)幵關(guān)改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等優(yōu)化方式。

基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)的多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度策略依據(jù)的是綜合能源系統(tǒng)中各能源單元的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)分析各種發(fā)電元件和負(fù)荷元件在時(shí)間和空間上的關(guān)聯(lián)性和互補(bǔ)性，運(yùn)用調(diào)節(jié)發(fā)電處理、優(yōu)化電網(wǎng)接線方式、調(diào)整負(fù)荷等調(diào)度手段，以系統(tǒng)整體運(yùn)行成本最低化為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行。

2.2 基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)緊急態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)

由于電網(wǎng)電壓的箝位作用，風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、熱電耦合設(shè)備以電流源形式運(yùn)行。在出現(xiàn)電網(wǎng)故障、非計(jì)劃孤島等緊急態(tài)下，基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)獨(dú)立自治運(yùn)行，為保證對(duì)電熱等負(fù)載的不間斷供能，組網(wǎng)能源單元需要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)/離網(wǎng)的無(wú)縫切換功能，為重要負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓支撐、保障系統(tǒng)整體的安全可靠供能。在此基礎(chǔ)上，從離網(wǎng)到并網(wǎng)切換時(shí)，需要調(diào)整組網(wǎng)能源單元的逆變電壓與電網(wǎng)電壓一致，盡量降低系統(tǒng)并網(wǎng)沖擊;從并網(wǎng)到離網(wǎng)切換時(shí)，需要鎖定切換前的電熱等負(fù)載電壓的相位、幅值，以使得離網(wǎng)后的系統(tǒng)電壓快速平穩(wěn)，避免出現(xiàn)較大波動(dòng)。

無(wú)縫切換技術(shù)（SeamLess Transition）建立包括功率環(huán)、濾波電容電壓環(huán)和濾波電感電流環(huán)的組網(wǎng)能源單元三環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)，分析三環(huán)控制策略在穩(wěn)定控制和離網(wǎng)/并網(wǎng)模式無(wú)縫切換過(guò)程中的控制過(guò)程。在離網(wǎng)運(yùn)行模式的濾波電容電壓環(huán)、濾波電感電流環(huán)的基礎(chǔ)上，并網(wǎng)模式增加功率外環(huán)，由給定的有功功率P、無(wú)功功率Q指令依次控制兩個(gè)內(nèi)環(huán)。整個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)采用比例-積分（Proportional Integral）控制器以抑制并網(wǎng)/離網(wǎng)切換過(guò)程中產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊，并引入電壓前饋控制提高控制系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)緊急態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法

3.1 基于潮流的網(wǎng)絡(luò)分析方法

分布式電源接入配電網(wǎng)后，由于潮流的變化會(huì)給配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓、電能質(zhì)量、網(wǎng)損以及可靠性帶來(lái)不利的影響。通過(guò)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用其快速的響應(yīng)能力，可以在一定程度上緩解大規(guī)模分布電源接入所帶來(lái)的問(wèn)題。但由于配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的負(fù)荷水平以及線路阻抗的不同，不同容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)接在不同的節(jié)點(diǎn)上其功能的發(fā)揮水平也會(huì)不同。因此為了尋求技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)方案，必須從電力系統(tǒng)角度出發(fā)，通過(guò)計(jì)算區(qū)域配電網(wǎng)的有功、無(wú)功潮流，來(lái)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的安裝容量和安裝地點(diǎn)進(jìn)行配置。

3.2 多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合能源系統(tǒng)利用多種能源形式和供需關(guān)系差異解決了可再生能源利用與能源效率問(wèn)題。在綜合能源系統(tǒng)中由于存在可控、可調(diào)的分布式發(fā)電單元作為可調(diào)度資源，可以為配電網(wǎng)提供電能。而儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車充電站既可作為負(fù)荷側(cè)資源，又可作為電源側(cè)資源參與配電網(wǎng)調(diào)度，因而配電網(wǎng)成了可以雙向調(diào)度電能的主動(dòng)型配電網(wǎng)。主動(dòng)配電網(wǎng)多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題主要是研究網(wǎng)內(nèi)可控電源、間歇性電源以及儲(chǔ)能單元的優(yōu)化調(diào)度。調(diào)度目標(biāo)包括配電網(wǎng)總成本盡可能低、可再生能源的利用率盡可能高、環(huán)境壓力盡可能小。

本文設(shè)計(jì)的綜合能源優(yōu)化調(diào)度管理系統(tǒng)從主站信息平臺(tái)獲取電網(wǎng)電價(jià)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、天氣等信息，結(jié)合電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的調(diào)控目標(biāo)制定優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的優(yōu)化控制。

依據(jù)電力儲(chǔ)能、蓄熱和蓄冷設(shè)備的儲(chǔ)能能力與互補(bǔ)特性，建立 CASE管理模型。利用主動(dòng)配電網(wǎng)多時(shí)間尺度的能源協(xié)同優(yōu)化控制技術(shù)，協(xié)同優(yōu)化技術(shù)結(jié)合功率預(yù)測(cè)、長(zhǎng)時(shí)間尺度調(diào)度方法、短時(shí)間尺度調(diào)度修正策略以及實(shí)時(shí)控制策略，實(shí)現(xiàn)各發(fā)電單元與需求側(cè)負(fù)荷的高峰、低谷的實(shí)時(shí)平衡互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)多能源系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行，提高主動(dòng)配電網(wǎng)的綜合能源利用效率。

綜合能源系統(tǒng)是采用多能耦合技術(shù)，通過(guò)冷熱電的相互轉(zhuǎn)化，結(jié)合相應(yīng)的儲(chǔ)能設(shè)備，保證區(qū)域冷、熱、電負(fù)荷的穩(wěn)定供應(yīng)，同時(shí)提高新能源消納能力。不同時(shí)間特性與差異場(chǎng)景下的能源出力是不同的，需要采用燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)、冷熱循環(huán)路徑技術(shù)以及余熱回收技術(shù)與熱/電能量存儲(chǔ)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)有最優(yōu)能源供給與最低能源損耗約束條件下，實(shí)現(xiàn)基于冷/熱/氣等多能源網(wǎng)絡(luò)的能源高效梯級(jí)利用。

4 總結(jié)

基于能量樞紐的綜合能源系統(tǒng)通過(guò)多種類型能源的耦合聯(lián)動(dòng)，極大地豐富了需求響應(yīng)的參與主體與參與時(shí)間，大大擴(kuò)展了傳統(tǒng)電力需求響應(yīng)的市場(chǎng)寬度、時(shí)間尺度與地理維度，能夠促進(jìn)更多地冷熱氣以及分布式能源項(xiàng)目接入配電網(wǎng)中，提升運(yùn)行效率，有利于促進(jìn)多種能源的高效利用，促進(jìn)新能源消納，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，降低建設(shè)成本，提高能源綜合利用率和盈利水平，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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