一種計(jì)及能量樞紐不同運(yùn)行模式的綜合能源系統(tǒng)混合能量流求解方法

潘益，王明深,，葉昱媛，張宸宇，繆惠宇，鄭建勇

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇省 南京市 211103；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇省 南京市 210096；3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇省 南京市 211102）

0 引言

在能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型與能源互聯(lián)網(wǎng)的大背景下，綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）作為一種以電能為核心，協(xié)調(diào)優(yōu)化多種異質(zhì)能源形式、提供優(yōu)質(zhì)能源服務(wù)的物理載體，對(duì)提高能源綜合利用率，促進(jìn)可再生能源的消納，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)以及能量的階梯利用具有重要意義[1-3]。

綜合能源系統(tǒng)多能流建模與能流求解是綜合能源系統(tǒng)構(gòu)建、運(yùn)行管理的前提與基礎(chǔ)?；谙到y(tǒng)建模，開(kāi)展混合潮流計(jì)算是后續(xù)優(yōu)化調(diào)度與安全分析的核心。目前單一供能網(wǎng)絡(luò)的能量流計(jì)算已有較為成熟的模型，但對(duì)于多種供能網(wǎng)絡(luò)耦合的聯(lián)合潮流計(jì)算，其研究還有待深入[4-5]。對(duì)于現(xiàn)有計(jì)算方法的研究，主要可以分為統(tǒng)一求解與解耦求解2大類(lèi)[6-9]。統(tǒng)一求解法多通過(guò)建立多能源系統(tǒng)的矩陣方程并構(gòu)造雅克比矩陣，結(jié)合牛頓–拉夫遜算法進(jìn)行聯(lián)合求解；解耦求解對(duì)各能源子系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立求解，并通過(guò)能源耦合元件實(shí)現(xiàn)變量的迭代更新至誤差在允許范圍內(nèi)。文獻(xiàn)[10]針對(duì)熱電耦合網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)利用這2類(lèi)方法對(duì)熱電潮流進(jìn)行求解并進(jìn)行了對(duì)比分析；文獻(xiàn)[11]提出了一種適用于電/熱/氣綜合能源系統(tǒng)的擴(kuò)展牛–拉法多能流計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)多能流的統(tǒng)一計(jì)算。多能流的統(tǒng)一求解具有較高的普適性，較為直觀，但模型較為復(fù)雜，對(duì)求解算法的要求較高，收斂性無(wú)法保證。文獻(xiàn)[12]針對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)各能源子系統(tǒng)的不同耦合程度，提出了一種基于順序求解思路的電力–天然氣混合潮流算法，將天然氣與電力網(wǎng)絡(luò)分開(kāi)求解，簡(jiǎn)化了計(jì)算的復(fù)雜度；文獻(xiàn)[13]針對(duì)輻射型供熱網(wǎng)，提出了熱網(wǎng)潮流的前推回代計(jì)算方法并利用牛–拉法計(jì)算電網(wǎng)潮流，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)合系統(tǒng)的解耦計(jì)算。

目前，上述的多能流求解方法多針對(duì)特定的拓?fù)溥M(jìn)行構(gòu)建，而不同的能量樞紐（energy hub，EH）運(yùn)行方式將對(duì)整個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋮?shù)產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變混合能量流的分布情況，因此這些多能流求解方法未必兼顧不同運(yùn)行模式，使得普適性難以得到保障。

本文針對(duì)電、氣、熱耦合型綜合能源系統(tǒng)，構(gòu)建不同能源子系統(tǒng)能量流的獨(dú)立求解模型及方法，并提出以分布式順序求解算法為核心的混合能量流計(jì)算流程，依托EH單元輸入輸出的鉗制約束對(duì)各能源子系統(tǒng)的能流進(jìn)行迭代校正，實(shí)現(xiàn)EH在不同運(yùn)行模式下的能流流程化求解。

1 電–熱–氣綜合能源系統(tǒng)建模

1.1 電-熱-氣能源子網(wǎng)絡(luò)能流獨(dú)立求解方法

對(duì)于電、熱、氣各能源子網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立建模，目前已有較為豐富的研究，具體建模方法可參考文獻(xiàn)[14-16]，本文不再贅述。

綜合能源系統(tǒng)中的電力子系統(tǒng)潮流采用傳統(tǒng)牛–拉法進(jìn)行求解。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的輻射狀熱力網(wǎng)，可采用前推回代法[13]進(jìn)行溫度、流量的迭代計(jì)算。對(duì)于較復(fù)雜的多源環(huán)狀熱網(wǎng)，為提高求解效率，考慮以溫度–流量模型[17]為基礎(chǔ)，改寫(xiě)為如式（1）描述的熱網(wǎng)狀態(tài)矩陣方程：

式中：HSP為系統(tǒng)已知的熱功率信息，當(dāng)HSP對(duì)應(yīng)EH與熱網(wǎng)交互的熱功率，M=mq=?Am；當(dāng)HSP對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)熱功率，M=m；m與mq分別表示各管道支路流量以及流經(jīng)熱源或負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的流量；K為管道阻力系數(shù)矩陣[10]；B表示支路–回路關(guān)聯(lián)矩陣；Cs，bs，Cr，br分別表示供熱、回水網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、熱媒流量與節(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)的矩陣，具體構(gòu)造方法如文獻(xiàn)[11]所述。Ts與Tr分別包括熱源EH側(cè)供回水溫度以及熱媒匯聚節(jié)點(diǎn)供回水溫度2部分。

根據(jù)狀態(tài)矩陣方程，利用牛–拉法，構(gòu)造雅克比矩陣對(duì)式（1）進(jìn)行迭代求解，其中待求狀態(tài)量包括xh=[Ts,Tr,m]。

天然氣網(wǎng)絡(luò)能流計(jì)算時(shí)同樣考慮先將系統(tǒng)潮流方程組改寫(xiě)為式（2）所示的矩陣形式，進(jìn)而構(gòu)造天然氣系統(tǒng)潮流矩陣方程：

式中：A1與B1分別表示為簡(jiǎn)約的節(jié)點(diǎn)-管路關(guān)聯(lián)矩陣與管路–節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣；AT為節(jié)點(diǎn)–管路關(guān)聯(lián)矩陣的轉(zhuǎn)置；Pf與ΔPl分別代表節(jié)點(diǎn)壓力降矩陣與管道壓力降矩陣；Ql與L分別代表管道流量矩陣以及節(jié)點(diǎn)氣負(fù)荷矩陣；Φ(?)與Φ'(?)分別代表流量函數(shù)與壓力降函數(shù)，兩者互為反函數(shù)，天然氣系統(tǒng)潮流矩陣方程的具體構(gòu)造流程可詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[18]。基于天然氣系統(tǒng)潮流矩陣方程，同樣利用牛–拉法，構(gòu)造雅克比矩陣對(duì)式（2）進(jìn)行迭代求解，其中待求狀態(tài)量包括xg=[Pf, Ql]。

1.2 EH建模

各供能網(wǎng)絡(luò)間的耦合與多能形態(tài)的轉(zhuǎn)化通常由IES的EH完成。目前通常利用能源集線器模型[19-20]對(duì)EH單元進(jìn)行描述。

EH內(nèi)部包含較多的能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，不同的能源元件配置與組合形式將對(duì)EH的外部輸出特性產(chǎn)生影響，本節(jié)選擇2種典型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析說(shuō)明。

圖1所示為第1類(lèi)EH結(jié)構(gòu)，主要分布在負(fù)荷側(cè)，輸入端連接外部多能流網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，輸出端直接向用戶(hù)側(cè)供能，外部能源網(wǎng)絡(luò)輸入的各種形式能量經(jīng)EH單元轉(zhuǎn)換為滿(mǎn)足用戶(hù)多元需求的電、熱、冷、氣負(fù)荷，此類(lèi)EH的輸入輸出耦合關(guān)系可表示為

圖2所示為第2類(lèi)EH結(jié)構(gòu)，主要分布在源測(cè)，為能源網(wǎng)絡(luò)末端的多元負(fù)荷供能。輸入端主要連接天然氣站負(fù)荷節(jié)點(diǎn)以及各類(lèi)分布式能源，輸出端主要連接能源網(wǎng)絡(luò)的源節(jié)點(diǎn)，輸出的冷熱電氣能通過(guò)各類(lèi)輸能網(wǎng)絡(luò)輸送至用戶(hù)側(cè)，此類(lèi)EH的輸入輸出耦合關(guān)系可表示為

式中：Le、Lh、Lc、Lg分別為電、熱/冷、氣負(fù)荷；ω1與ω2為電能分配系數(shù)；θ為熱能分配系數(shù)；σ為天然氣分配系數(shù)；ηT、、ηEB、ηEC、ηAC、ηex分別表示變壓器效率、熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power，CHP）機(jī)組的電效率、熱效率、電鍋爐制熱效率、電制冷機(jī)與吸收式制冷機(jī)的制冷效率以及熱交換器效率；與ηGB分別表示熱泵與燃?xì)忮仩t的制熱效率；與分別代表分布式光伏與風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率；ηP2G為P2G設(shè)備的轉(zhuǎn) 換 效 率；以 及分 別 代 表 電、熱、冷、氣儲(chǔ)能單元功率。

1.3 EH運(yùn)行模式劃分

根據(jù)EH在能源傳輸網(wǎng)絡(luò)中的作用，可從能源網(wǎng)絡(luò)層面將其劃分為4種運(yùn)行模式。

圖1 第1類(lèi)能量樞紐結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the first type of energy hub

圖2 第2類(lèi)能源樞紐結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the second type of energy hub

模式1：此模式下各EH節(jié)點(diǎn)對(duì)于電–熱–氣輸能網(wǎng)絡(luò)而言均為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，綜合能源網(wǎng)絡(luò)的平衡節(jié)點(diǎn)分別由外部電源（上級(jí)電網(wǎng)）、熱源（上級(jí)換熱站）及氣源（上級(jí)燃?xì)庹荆┏袚?dān)，各EH從各輸能網(wǎng)絡(luò)獲得能量后經(jīng)轉(zhuǎn)換直接向所接負(fù)荷供能，其輸入輸出約束關(guān)系同式（3），在多能流穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)各能源網(wǎng)絡(luò)可獨(dú)立進(jìn)行求解。

模式2：此模式下選擇某一具有充足容量、穩(wěn)定熱能輸出的EH作為熱力網(wǎng)平衡節(jié)點(diǎn)，即熱網(wǎng)側(cè)的熱力流平衡由此EH實(shí)現(xiàn)，其余EH視為PV/PQ節(jié)點(diǎn)、普通熱源節(jié)點(diǎn)及天然氣負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，EH的輸入輸出約束關(guān)系同式（4）。此時(shí)，各EH所接入的電力網(wǎng)側(cè)潮流由外部電網(wǎng)平衡，因此各EH單元的功率輸出波動(dòng)僅對(duì)平衡節(jié)點(diǎn)處的EH單元出力產(chǎn)生影響，各能源網(wǎng)絡(luò)處于弱耦合狀態(tài)。

模式3：此模式下選擇某一具有充足容量、穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速的EH作為電力網(wǎng)絡(luò)側(cè)的平衡節(jié)點(diǎn)，其余EH節(jié)點(diǎn)均視為PV/PQ節(jié)點(diǎn)、普通熱源節(jié)點(diǎn)及天然氣負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，各能源網(wǎng)絡(luò)的耦合狀態(tài)與模式2類(lèi)似。

模式4：此模式下選擇兩個(gè)EH分別作為電力網(wǎng)與熱力網(wǎng)的平衡節(jié)點(diǎn)，其余EH節(jié)點(diǎn)均視為PV/PQ節(jié)點(diǎn)、普通熱源節(jié)點(diǎn)及天然氣負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，各能源網(wǎng)絡(luò)處于強(qiáng)耦合狀態(tài)，電網(wǎng)側(cè)及熱網(wǎng)側(cè)的潮流均由EH單元實(shí)現(xiàn)平衡與調(diào)節(jié)。

2 綜合能源系統(tǒng)混合能量流計(jì)算

2.1 綜合能源網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)量分析

在開(kāi)展綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能流計(jì)算前，需要明確各能源網(wǎng)絡(luò)所包含的狀態(tài)量。電力/熱力/天然氣供能網(wǎng)絡(luò)通過(guò)EH進(jìn)行耦合，各網(wǎng)絡(luò)間根據(jù)耦合程度的不同將獲得不同的運(yùn)行狀態(tài)量。

對(duì)于電力網(wǎng)絡(luò)，狀態(tài)量主要包括節(jié)點(diǎn)電壓幅值與相角、節(jié)點(diǎn)注入的有功與無(wú)功功率，節(jié)點(diǎn)類(lèi)型主要有平衡節(jié)點(diǎn)、PV與PQ節(jié)點(diǎn)3類(lèi)；對(duì)于熱力網(wǎng)絡(luò)，狀態(tài)量主要包括管道熱媒流量、供回水溫度以及節(jié)點(diǎn)注入的熱功率，節(jié)點(diǎn)類(lèi)型主要有熱源節(jié)點(diǎn)（又分為平衡熱源節(jié)點(diǎn)與普通熱源節(jié)點(diǎn)2類(lèi)）、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)（已知負(fù)荷熱功率及節(jié)點(diǎn)回水溫度）以及其他節(jié)點(diǎn)；對(duì)于天然氣網(wǎng)絡(luò)，狀態(tài)量主要包括節(jié)點(diǎn)壓力及管道氣流量，節(jié)點(diǎn)類(lèi)型主要包括壓力已知節(jié)點(diǎn)和流量已知節(jié)點(diǎn)，其中壓力已知節(jié)點(diǎn)多為氣源節(jié)點(diǎn)且至少有一個(gè)氣源節(jié)點(diǎn)設(shè)置為天然氣平衡節(jié)點(diǎn)，流量已知節(jié)點(diǎn)則多為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。各能源網(wǎng)絡(luò)具體的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型及待求狀態(tài)量等信息如表1所示。

2.2 混合能量流求解方法

綜合能源系統(tǒng)多能流求解方法主要有統(tǒng)一求解與分布式順序求解2類(lèi)。統(tǒng)一求解法雖然能提供統(tǒng)一的求解模式，便于理解，但在求解時(shí)包含大量的待求解變量，雅克比矩陣維度巨大，求解復(fù)雜度較高，且模型收斂性也無(wú)法保證。而分布式順序求解法能夠充分利用電、氣、熱各網(wǎng)絡(luò)潮流已有的計(jì)算求解模型，實(shí)現(xiàn)各能源網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立求解，大大提高了求解效率，縮減了求解復(fù)雜度。因此，本文主要依托分布式順序求解法對(duì)前節(jié)所述的EH 4種典型運(yùn)行模式開(kāi)展多能流求解方法的研究。

圖3所示為本文綜合能源系統(tǒng)多能流求解流程。模式1、模式2與模式3求解流程類(lèi)似，各能源子系統(tǒng)利用各自現(xiàn)有成熟的求解模型依次進(jìn)行獨(dú)立求解；模式4由于各能源系統(tǒng)耦合程度較深，求解流程相對(duì)更為復(fù)雜。選擇模式1與模式4兩種具有代表性的運(yùn)行場(chǎng)景下的能流計(jì)算過(guò)程進(jìn)行分析說(shuō)明。

1）對(duì)于模式1，其求解流程相對(duì)簡(jiǎn)單，歸納如下：

步驟1：獲取各EH輸出端所接的氣、電、熱、冷負(fù)荷信息；Lg、Le、Lh、Lc，根據(jù)式（3）描述的EH單元內(nèi)部耦合關(guān)系矩陣分別計(jì)算各EH輸入功率，各EH單元可視為電力、熱力及天然氣網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)接入節(jié)點(diǎn)的等效負(fù)荷；

步驟2：熱力系統(tǒng)潮流的獨(dú)立求解；基于熱網(wǎng)側(cè)潮流計(jì)算，熱網(wǎng)中各循環(huán)水泵的耗電功率等效為電力網(wǎng)絡(luò)側(cè)的電負(fù)荷；

表1 電–熱–氣綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)量信息Table 1 Information of state variables for IES containing electricity, thermal and gas networks

圖3 綜合能源系統(tǒng)多能流求解流程Fig.3 Flowchart for multi-energy flow calculation of IES

步驟3：天然氣系統(tǒng)潮流的獨(dú)立求解。若天然氣系統(tǒng)中含有電力驅(qū)動(dòng)型壓縮機(jī)，則還需額外計(jì)算壓縮機(jī)的耗電功率，等效至電力網(wǎng)絡(luò)側(cè)的電負(fù)荷；

步驟4：基于電力網(wǎng)絡(luò)側(cè)已知參數(shù)，利用牛–拉法求解電力網(wǎng)絡(luò)潮流；

步驟5：輸出電/氣/熱網(wǎng)絡(luò)多能流計(jì)算結(jié)果。

2）對(duì)于模式4，由于同時(shí)選擇兩個(gè)EH單元分別作為電力與熱力系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)，因此各能源子系統(tǒng)間的耦合程度最高。與其他幾種模式相比，模式4在各能源子系統(tǒng)能流獨(dú)立求解的基礎(chǔ)上，需要額外增加考慮耦合元件輸出功率偏差約束的聯(lián)合迭代求解過(guò)程。可歸納如下。

步驟1：首先選擇兩個(gè)EH單元分別作為電力側(cè)與熱力側(cè)的平衡節(jié)點(diǎn)，同時(shí)確定除平衡節(jié)點(diǎn)外的其他EH單元運(yùn)行模式；

步驟2：依據(jù)EH耦合關(guān)系及運(yùn)行模式計(jì)算除平衡節(jié)點(diǎn)外的EH單元熱電輸出功率Po,h、Po,e及輸入側(cè)天然氣功率

步驟3：進(jìn)入熱電系統(tǒng)潮流聯(lián)合迭代求解過(guò)程。

②其次，根據(jù)EH耦合關(guān)系及運(yùn)行模式計(jì)算電力平衡節(jié)點(diǎn)的輸出熱功率

③基于熱力側(cè)已知條件，進(jìn)行熱力系統(tǒng)的潮流求解，若熱力側(cè)潮流不收斂，則需修正EH單元的運(yùn)行模式及相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，返回步驟2，直至熱力潮流收斂；

④基于當(dāng)前迭代過(guò)程中的熱力潮流計(jì)算結(jié)果，獲取熱力平衡節(jié)點(diǎn)處的EH單元輸出熱電功率并計(jì)算水泵耗電功率；

⑤基于電力側(cè)已知條件，進(jìn)行電力子系統(tǒng)的潮流計(jì)算，若電力側(cè)潮流不收斂，則同樣需修正EH單元的運(yùn)行模式及相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，返回步驟2，直至電力潮流收斂；

⑥獲取電力平衡節(jié)點(diǎn)處EH單元的熱電輸出功率，計(jì)算相鄰兩次迭代過(guò)程的電力平衡節(jié)點(diǎn)處EH單元電輸出功率偏差，若滿(mǎn)足收斂條件則熱電系統(tǒng)潮流聯(lián)合迭代求解過(guò)程完成，輸出熱力/電力側(cè)的潮流計(jì)算結(jié)果，反之，則需用當(dāng)前第t次迭代時(shí)電力平衡節(jié)點(diǎn)處EH單元的電輸出功率初始化第（t+1）次迭代過(guò)程的，重新依次執(zhí)行步驟3，直至迭代過(guò)程完成；

步驟4：進(jìn)行天然氣系統(tǒng)潮流的獨(dú)立求解。同樣需要處理不同壓縮機(jī)類(lèi)型的等效電力負(fù)荷計(jì)算問(wèn)題，處理方式與模式1相同；

步驟5：輸出電/氣/熱網(wǎng)絡(luò)多能流計(jì)算結(jié)果。

此外，若考慮P2G技術(shù)的應(yīng)用，則考慮采用合同電轉(zhuǎn)氣的商業(yè)模式[21]，將P2G環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的天然氣與電力節(jié)點(diǎn)分別等效為定流量節(jié)點(diǎn)與PV節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而參與多能流的計(jì)算。

3 算例分析

3.1 綜合能源網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)量分析

為驗(yàn)證本文所提多能流計(jì)算方法的有效性，以改進(jìn)的IEEE14節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)、15節(jié)點(diǎn)區(qū)域熱力系統(tǒng)、14節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)以及兩個(gè)EH（EH1和EH2）構(gòu)成的電–熱–氣綜合能源系統(tǒng)作為算例進(jìn)行仿真分析。

如圖4所示，電、氣、熱各能源子系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)EH單元進(jìn)行耦合。天然氣子系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)為Gs1，通過(guò)外部氣源輸入調(diào)節(jié)整個(gè)天然氣網(wǎng)絡(luò)的平衡，氣源節(jié)點(diǎn)的壓力已知為1000 psia，壓縮機(jī)為燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)型。EH1的熱網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)為Hs6，電網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)為Bs3，天然氣網(wǎng)接入點(diǎn)Gs14視為天然氣負(fù)荷節(jié)點(diǎn)；EH2的電網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)為Bs1，熱網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)為Hs7，天然氣接入點(diǎn)Gs3視為天然氣負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。其中，熱力子系統(tǒng)中各熱力負(fù)荷節(jié)點(diǎn)回水溫度設(shè)置為30 ℃，熱源節(jié)點(diǎn)供水溫度為90 ℃。兩個(gè)EH的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，但暫不考慮輸冷環(huán)節(jié)，因此忽略吸收式制冷機(jī)及蓄冷等設(shè)備。EH單元的配置參數(shù)以及各能源子系統(tǒng)的基本參數(shù)見(jiàn)附表A1—A6。

圖4 電-熱-氣綜合能源系統(tǒng)算例結(jié)構(gòu)Fig.4 Case diagram of IES containing electricity, thermal and gas networks

3.2 仿真結(jié)果分析

基于本文所提方法，利用MATLAB編寫(xiě)程序，針對(duì)2種不同場(chǎng)景對(duì)算例進(jìn)行多能流求解與分析，計(jì)算結(jié)果如表2—6所示。

場(chǎng)景1：運(yùn)行于模式4。EH1的熱網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)Hs6視為熱力平衡節(jié)點(diǎn)，電網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)Bs3視為PV節(jié)點(diǎn)，天然氣網(wǎng)接入點(diǎn)Gs14視為天然氣負(fù)荷節(jié)點(diǎn)；EH2的電網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)Bs1視為電力平衡節(jié)點(diǎn)，熱網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)Hs7視為普通熱源節(jié)點(diǎn)，天然氣接入點(diǎn)Gs3視為天然氣負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。

場(chǎng)景2：運(yùn)行于模式2。電力側(cè)并網(wǎng)運(yùn)行，并網(wǎng)點(diǎn)（電力平衡節(jié)點(diǎn)）為Bs6，外部電網(wǎng)等效為G2，即電力側(cè)網(wǎng)絡(luò)的平衡由G2調(diào)節(jié)。EH1的熱網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)Hs6視為熱力平衡節(jié)點(diǎn)，電網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)Bs3視為PV節(jié)點(diǎn)，天然氣網(wǎng)接入點(diǎn)Gs14視為天然氣負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。而EH2的電網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)Bs1視為PV節(jié)點(diǎn)，熱網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)Hs7視為普通熱源節(jié)點(diǎn)，天然氣接入點(diǎn)Gs3視為天然氣負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。

表2 電力子系統(tǒng)潮流計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results for electricity flow

表3 電力子系統(tǒng)各發(fā)電單元出力Table 3 Output of each electricity generation unit

表4 熱力子潮流計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results for thermal flow

表5 天然氣子系統(tǒng)潮流計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of natural gas flow of natural gas subsystem

表6 天然氣子系統(tǒng)壓縮機(jī)耗氣量計(jì)算結(jié)果Table 6 Gas consumption calculation results of the compressors of natural gas subsystem

根據(jù)混合潮流計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于電力子系統(tǒng)，2種不同場(chǎng)景下支路的有功潮流分布及節(jié)點(diǎn)電壓分布產(chǎn)生一定差異，但整體數(shù)值較為接近。場(chǎng)景2中EH2的有功出力設(shè)置為8 MW，且各PV節(jié)點(diǎn)的無(wú)功儲(chǔ)備充足，經(jīng)計(jì)算平衡節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的G2機(jī)組有功出力為6.76 MW，2種場(chǎng)景下的節(jié)點(diǎn)電壓幅值均在0.9～1.1 pu之間，未出現(xiàn)電壓越限情況。此外2種場(chǎng)景僅運(yùn)行模式不同，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)基本保持一致，因此2種場(chǎng)景下的潮流未發(fā)生明顯轉(zhuǎn)移，潮流計(jì)算結(jié)果較為接近。

對(duì)于熱力子系統(tǒng)，由計(jì)算結(jié)果可知，不同運(yùn)行場(chǎng)景下的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)管道流量變化較小，但主管道l11—l16對(duì)應(yīng)的管道熱水流量差異明顯。兩種場(chǎng)景下，EH1的熱網(wǎng)接入點(diǎn)均為熱力平衡節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)熱網(wǎng)側(cè)的潮流平衡調(diào)節(jié)。場(chǎng)景1下EH1與EH2的熱功率輸出分別為16.43 MW與5.03 MW，管道熱水匯流節(jié)點(diǎn)為Hs2；場(chǎng)景2下EH1與EH2的熱功率輸出分別為12 MW與9.43 MW，管道熱水匯流節(jié)點(diǎn)變?yōu)镠s3?？梢?jiàn)，EH1熱源輸出熱功率的降低使得EH1附近的管道l14、l15流量降低，而EH2熱源附近管道l11與l16的流量隨著EH2單元熱功率出力的增加而增大。

對(duì)于天然氣子系統(tǒng)，部分節(jié)點(diǎn)等效氣負(fù)荷的改變使得天然氣管道流量與節(jié)點(diǎn)壓力分布產(chǎn)生變化。場(chǎng)景2下管道gl5、gl6、gl7的氣流量相較于場(chǎng)景1明顯增加，節(jié)點(diǎn)Gs6、Gs7、Gs8壓力值也存在明顯提升，可能對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。因此有必要考慮IES系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下的能流分布情況，識(shí)別脆弱環(huán)節(jié)，通過(guò)合理配置EH單元及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，保障系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下均具有足夠的安全裕度。

此外，圖5展示了本文所提多能流求解算法在不同場(chǎng)景下的收斂曲線。由圖5可知，此算法有著較為理想的收斂速度，僅需經(jīng)過(guò)少量迭代即可收斂到很小的誤差范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了本節(jié)算法的有效性。同時(shí)，由于場(chǎng)景2下熱/電/氣網(wǎng)絡(luò)的耦合程度相對(duì)較低，求解復(fù)雜度較低，因此與其他場(chǎng)景相比具有更快的收斂速度。

圖5 不同場(chǎng)景下的收斂曲線Fig.5 Convergence curves in different cases

此外，基于本文所提能量流求解方法，進(jìn)一步分析EH單元在不同運(yùn)行模式下IES的N-1靜態(tài)安全校驗(yàn)情況。同樣以場(chǎng)景1與場(chǎng)景2為例進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵元件N-1校驗(yàn)結(jié)果如附圖B1與附圖B2所示。由圖可見(jiàn)，對(duì)于場(chǎng)景1，EH2單元處于離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，各能源子系統(tǒng)耦合程度較高，在關(guān)鍵元件（發(fā)電機(jī)組G1、G2）N-1情況下，電力側(cè)的潮流越限將通過(guò)耦合單元影響其他能源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，可能引起有故障的跨能源系統(tǒng)傳播，增大了系統(tǒng)整體的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于場(chǎng)景S2，EH2單元運(yùn)行于并網(wǎng)狀態(tài)，系統(tǒng)整體的耦合程度較低，電力側(cè)安全運(yùn)行的調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，使得系統(tǒng)具有比場(chǎng)景S1更為理想的靜態(tài)安全性能。

可見(jiàn)，EH單元的不同運(yùn)行模式將對(duì)IES系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生影響，強(qiáng)耦合下的IES系統(tǒng)在具有高靈活性與互補(bǔ)互濟(jì)特性的同時(shí)往往更容易引起較低的安全運(yùn)行裕度。同時(shí)也驗(yàn)證了本文所提能流計(jì)算方法在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與安全性分析方面的有效性。

4 結(jié)論

1）EH作為各能源子網(wǎng)絡(luò)的耦合互動(dòng)橋梁，不同的運(yùn)行模式將對(duì)不同能源子系統(tǒng)間的耦合深度以及整個(gè)綜合能源能量流分布產(chǎn)生顯著影響，體現(xiàn)了考慮能量樞紐運(yùn)行模式的必要性。

2）本文所提混合能量流求解算法具有較好的收斂性，避免了牛–拉法統(tǒng)一求解系統(tǒng)能量流時(shí)可能存在的模型維度大、收斂性無(wú)法保證等問(wèn)題，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

此外，對(duì)于多時(shí)間尺度下能源網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性研究還有待深入，同時(shí)可考慮結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)模型作進(jìn)一步修正，提高其準(zhǔn)確性與適應(yīng)性。

（本刊附錄請(qǐng)見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)版，印刷版略）