電熱綜合能源網(wǎng)的強(qiáng)耦合路徑研究與展望

劉學(xué)智，嚴(yán) 正，解 大，張沛超，王 海，龍惟定

（1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海市 200240；2. 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海市 200092）

0 引言

電熱耦合系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的綜合能源系統(tǒng)類型之一，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(chǎng)景與載體。當(dāng)前電熱綜合能源網(wǎng)的研究大多局限于弱耦合網(wǎng)絡(luò)，原因在于熱網(wǎng)的投資成本高，若接入集中熱網(wǎng)的用戶同時(shí)安裝熱泵進(jìn)行混合供熱會(huì)增加設(shè)備投資成本，所以電熱網(wǎng)主要通過少數(shù)大型熱電聯(lián)供機(jī)組提供弱耦合，相應(yīng)的統(tǒng)一模型主要是端口等值模型。目前通過電熱綜合能源系統(tǒng)多能互補(bǔ)提升電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性主要分為兩類：一類是利用熱網(wǎng)蓄熱的慢動(dòng)態(tài)特性；另一類是對(duì)溫控負(fù)荷的靈活性聚合（與熱網(wǎng)無關(guān)聯(lián)）。

第5 代區(qū)域供熱供冷（5th generation district heating and cooling，5GDHC）系統(tǒng)改變了這種形態(tài)［1-2］。其水溫接近于環(huán)境溫度、采用塑料管以及借助熱泵供熱與制冷機(jī)供冷的變革性特點(diǎn)，使得電熱網(wǎng)真正實(shí)現(xiàn)高密度網(wǎng)狀深度融合。目前，5GDHC系統(tǒng)或稱能源總線的研究仍以建筑暖通學(xué)科為主，較少涉及電網(wǎng)交互分析［3］；而目前綜合能源系統(tǒng)熱網(wǎng)建模主要基于傳統(tǒng)前4 代熱網(wǎng)，未考慮到多源環(huán)狀雙向低溫5GDHC 系統(tǒng)中熱源的熱交換量、總線水溫度和用戶熱泵機(jī)組工況三者互相耦合的復(fù)雜運(yùn)行調(diào)節(jié)策略。不同于目前溫控負(fù)荷的靈活性聚合研究中熱泵個(gè)體之間無關(guān)聯(lián)，5GDHC 系統(tǒng)中熱泵池均通過熱網(wǎng)管段連接并相互影響。因此，本文中5GDHC 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的能源元胞有效融合了兩種方法提升電力系統(tǒng)靈活性，即同時(shí)集成熱泵池調(diào)控與利用熱網(wǎng)蓄熱的慢動(dòng)態(tài)特性，并考慮兩者之間的相互影響。本文從本質(zhì)上試圖揭示兩種不同物理性質(zhì)的網(wǎng)級(jí)耦合問題。實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)與能源機(jī)械學(xué)科的有機(jī)結(jié)合。期望本文能為電熱耦合綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及夏熱冬冷地區(qū)供冷供暖提供解決方案。

本文提出以下問題：1）如何根據(jù)“多源多匯”、環(huán)狀、雙向的5GDHC 系統(tǒng)中各種“源”和“匯”的不同特性，優(yōu)化源之間的負(fù)荷分配和運(yùn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的水力和熱力穩(wěn)定以及熱泵機(jī)組工況的穩(wěn)定運(yùn)行？2）5GDHC 系統(tǒng)與配電網(wǎng)通過熱泵池構(gòu)成多點(diǎn)高密度網(wǎng)狀緊密耦合的能源元胞，如何建立適應(yīng)新形態(tài)的能源元胞網(wǎng)絡(luò)流理論及可行域分析，提高配電網(wǎng)的可觀性？3）目前熱泵靈活性聚合研究中熱泵與熱網(wǎng)無關(guān)聯(lián)，5GDHC 系統(tǒng)中熱泵池通過熱網(wǎng)管段相連接，聚合商如何兼顧熱網(wǎng)熱慣性與熱泵池的靈活性聚合，分配各元胞的靈活性出力，以實(shí)現(xiàn)交互邊界清晰的分層級(jí)管理架構(gòu)，為電網(wǎng)調(diào)度提供支撐？基于此，本文提出建立與5GDHC 相兼容的考慮產(chǎn)消共享且耦合度更高的電-熱網(wǎng)絡(luò)流模型，通過分析網(wǎng)絡(luò)流與可行域（邊界條件），可實(shí)現(xiàn)多時(shí)間尺度的強(qiáng)耦合電熱網(wǎng)微分-代數(shù)方程求解；提出5GDHC 能源元胞概念，充分利用了“配電網(wǎng)電壓分層級(jí)、5GDHC 模塊化延展”的特征，將單一能源元胞推廣到多能源元胞的靈活性聚合；提出構(gòu)建一套基于5GDHC 能源元胞的分層級(jí)協(xié)調(diào)體系以及靈活性聚合與分配方法的思路，協(xié)同熱網(wǎng)熱慣性與熱泵聚合為電網(wǎng)調(diào)峰提供支撐。

1 綜合能源電熱耦合網(wǎng)發(fā)展思路

1.1 電熱耦合網(wǎng)的統(tǒng)一建模理論的發(fā)展

電熱耦合網(wǎng)作為綜合能源系統(tǒng)的典型代表，通過多種能源的轉(zhuǎn)換與利用熱力的易存儲(chǔ)特性進(jìn)行多能互補(bǔ)，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究［4-7］，從較早的能量樞紐模型［8］和基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆?lián)合潮流模型［9-11］，到針對(duì)不同時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)下的電、氣、熱多能 流 統(tǒng) 一 建 模 與 仿 真 方 法［4，5，12］。統(tǒng) 一 能 路 理 論 與廣義電路分析理論均具備良好精度與兼容性佳的優(yōu)勢(shì)，對(duì)促進(jìn)綜合能源建模理論的發(fā)展具有里程碑的意義。這兩種理論主要通過邊界外端口研究互相交互的多能源網(wǎng)絡(luò)，建立能夠考慮動(dòng)態(tài)特性的多能源網(wǎng)絡(luò)邊界端口等值模型，將復(fù)雜的內(nèi)部信息轉(zhuǎn)換為等值的邊界條件。然而，多能源網(wǎng)絡(luò)的邊界等值模型仍然是各種能源各自孤立的節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)［4］。根本原因在于，目前多數(shù)綜合能源系統(tǒng)建模面向的電熱耦合網(wǎng)通過少量大型熱電聯(lián)供（CHP）機(jī)組提供弱耦合［5］，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1 所示［9］，或者通過小型CHP機(jī)組與鍋爐等供熱，但沒有接入集中熱網(wǎng)。

圖1 配電網(wǎng)與熱力網(wǎng)通過少量CHP 機(jī)組耦合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.1 Network topology of distribution network and heat network coupled through a small number of CHP units

1.2 支撐統(tǒng)一理論需突破的問題

目前，大多數(shù)研究中熱源是電熱網(wǎng)唯一的耦合點(diǎn)，電網(wǎng)研究者容易忽略泵（熱泵和水泵）的問題。熱泵的電熱能轉(zhuǎn)換可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的錯(cuò)峰運(yùn)行；水泵通過變頻調(diào)節(jié)壓力實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)的水力平衡。大量熱泵與水泵是實(shí)現(xiàn)電熱網(wǎng)高度耦合的有效途徑?；诰C合能源系統(tǒng)多能互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)想用戶依靠集中供熱的管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施加上戶用熱泵進(jìn)行混合供暖。由此，通過熱網(wǎng)中大量熱泵接入不同電力饋線，熱力網(wǎng)與配電網(wǎng)形成緊密互聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能源網(wǎng)（如圖2 所示），突破目前綜合能源電熱耦合網(wǎng)中僅由少數(shù)熱源——CHP 機(jī)組提供的弱耦合，形成電熱網(wǎng)高度耦合的復(fù)雜形態(tài)。熱網(wǎng)中大量熱泵形成的熱泵池（heat pump pools）聯(lián)系著電與熱的功率流［13］。熱泵的電熱功率轉(zhuǎn)換以及轉(zhuǎn)換功率的大小，受到分時(shí)電價(jià)、可再生能源、環(huán)境溫度等信號(hào)的影響，而調(diào)控?zé)岜贸貢?huì)影響配電網(wǎng)電壓與頻率以及熱網(wǎng)與蓄熱裝置的運(yùn)行。

圖2 配電網(wǎng)與熱力網(wǎng)通過大量熱泵高度耦合示意圖Fig.2 Schematic diagram of high coupling between distribution network and heat network through a large number of heat pumps

但是，一般熱用戶多采用一種供熱方式，因?yàn)榻尤爰袩峋W(wǎng)的用戶同時(shí)安裝熱泵進(jìn)行混合供熱會(huì)增加成本，尤其是供熱網(wǎng)的成本很高。另外，現(xiàn)階段空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性以及室外換熱器的結(jié)霜和除霜問題造成空氣源熱泵運(yùn)行效果不理想，制約空氣源熱泵的推廣應(yīng)用。中國(guó)黃河流域、華北等寒冷地區(qū)，空氣源熱泵性能非常低，甚至無法運(yùn)行；長(zhǎng)江流域、華南等地區(qū)，雖然冬季空氣溫度較高，但空氣源熱泵的結(jié)霜問題嚴(yán)重，導(dǎo)致其運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性較低［3］。這些因素使得區(qū)域供熱+熱泵的混合供熱受到限制，制約了電熱網(wǎng)融合統(tǒng)一建模理論發(fā)展。

1.3 5GDHC 給統(tǒng)一理論帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

1.3.1 5GDHC 的概念與特點(diǎn)

如前所述，實(shí)現(xiàn)電熱耦合網(wǎng)深度融合系統(tǒng)需要兩種供熱組態(tài)方式的結(jié)合，即單體建筑分別配備供能設(shè)備提供能源和分布式能源站為多個(gè)建筑提供能源，5GDHC 系統(tǒng)的出現(xiàn)給這種混合供熱提供了解決 方 案。5GDHC 系 統(tǒng)［1，2，14］或 稱 能 源 總 線 系 統(tǒng)（energy bus system）［3］，或稱共享熱網(wǎng)（heat sharing networks）［15-16］，是一種集成應(yīng)用城區(qū)的可再生能源及未利用能源的城區(qū)冷熱能源系統(tǒng)。歐洲在第4 代熱網(wǎng)的基礎(chǔ)上，于2017 年前后提出了5GDHC 系統(tǒng)的概念［3］。文獻(xiàn)［3］認(rèn)為5GDHC 系統(tǒng)就是中國(guó)的能源總線系統(tǒng)，早在2008 年能源總線的概念就被提出，主要用于建筑暖通學(xué)科。根據(jù)大量文獻(xiàn)調(diào)研，本文采用5GDHC 的名稱，與代表性文獻(xiàn)吻合。

5GDHC 系統(tǒng)通過集中的城區(qū)管網(wǎng)，將冷卻水或熱媒水輸送到用戶末端的制冷或熱泵機(jī)組（如圖3 所示）。系統(tǒng)用戶從冷管取水用于冷水機(jī)組的冷凝器冷卻，然后向暖管輸出，可以提供給其他用戶的熱泵用于供暖，因此，也稱為冷熱平衡網(wǎng)（balanced energy networks）［15，6］。5GDHC 系統(tǒng)水溫接近于環(huán)境溫度，用塑料管取代鋼管，管道無須保溫，大大降低了管道投資成本與熱力傳輸損耗，還可大量利用分布式的可再生能源。另外，不同于空氣源或土壤源熱泵，5GDHC 系統(tǒng)的恒溫水源提高了末端熱泵的效率，并能實(shí)現(xiàn)同時(shí)供冷供熱。用戶末端機(jī)組可以根據(jù)用戶需要啟停機(jī)組，進(jìn)行末端調(diào)節(jié)，公共部分的能耗僅為總循環(huán)水泵、冷熱源循環(huán)水泵。

圖3 土壤源與冷卻塔并聯(lián)形式的5GDHC 系統(tǒng)Fig.3 5GDHC system with parallel connection of soil source and cooling tower

5GDHC 系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)熱網(wǎng)，具有以下變革性的特點(diǎn)［3］。

1）去中心化的分布式水源熱泵系統(tǒng)，不需要冷熱源能源中心，由能源站補(bǔ)熱和蓄熱。

2）管網(wǎng)水溫低至12～30 ℃，可利用更多的低品位可再生能源和余熱廢熱資源。

3）供水溫度低，實(shí)現(xiàn)低溫供暖。采用無保溫的塑料管道，能夠?qū)崿F(xiàn)更長(zhǎng)的輸送距離。

4）沒有供回水管的概念，只需冷管和暖管，可以同時(shí)供冷供熱。

5）當(dāng)供冷供熱不平衡時(shí)，需要系統(tǒng)有儲(chǔ)熱裝置。6）住宅用戶的能耗完全根據(jù)家庭電表計(jì)費(fèi)。1.3.2 5GDHC 系統(tǒng)構(gòu)成的電熱強(qiáng)耦合網(wǎng)

從單獨(dú)的水環(huán)熱泵模型，擴(kuò)展到單元結(jié)構(gòu)中的樓宇供熱供冷網(wǎng)，然后到連接樓宇供熱供冷網(wǎng)的區(qū)域5GDHC 系統(tǒng)，集中在能源中心的大型熱泵和蓄熱水池，以及分散到各個(gè)用戶的小型熱泵池，構(gòu)成了5GDHC 系統(tǒng)與配電網(wǎng)緊密互聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能源網(wǎng)，如圖4 所示。借鑒圖論思想，根據(jù)配電網(wǎng)拓?fù)鋱D和5GDHC 系統(tǒng)拓?fù)鋱D以及熱泵、冷水機(jī)組和水泵等轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定電熱網(wǎng)絡(luò)之間節(jié)點(diǎn)的互連關(guān)系。

圖4 通過5GDHC 系統(tǒng)熱泵池高度耦合的電熱網(wǎng)拓?fù)鋱DFig.4 Topology of electricity and heat networks highly coupled with heat pump pools of 5GDHC system

5GDHC 系統(tǒng)提供低溫?zé)嵩?，用于分布式熱泵進(jìn)行提升溫度供暖、直接供冷或間接利用制冷機(jī)制冷。未來5GDHC 系統(tǒng)推廣后，分布式熱泵的數(shù)量會(huì)急劇增加，如圖4 所示，電熱需求側(cè)的網(wǎng)級(jí)耦合愈發(fā)重要［14］。但是不同于目前熱泵個(gè)體之間無關(guān)聯(lián)，5GDHC 系統(tǒng)熱泵池均通過熱網(wǎng)管段連接并相互影響。因此，本文的強(qiáng)耦合主要體現(xiàn)在基于5GDHC系統(tǒng)熱泵池的需求側(cè)新業(yè)態(tài)［17-20］。未來含高滲透率可再生能源與分布式能源的中低壓配電網(wǎng)中，需求側(cè)會(huì)成為產(chǎn)消者，配電網(wǎng)中緊密耦合的分布式光伏-儲(chǔ)能與熱泵池會(huì)影響潮流與電壓分布?；陔姛釓?qiáng)耦合網(wǎng)的多能流計(jì)算，通過調(diào)節(jié)熱泵池改變能流轉(zhuǎn)換，以及無功補(bǔ)償裝置調(diào)控電力系統(tǒng)潮流，減小線路潮流阻塞與節(jié)點(diǎn)電壓越限。

另一方面，5GDHC 系統(tǒng)耦合電網(wǎng)不僅體現(xiàn)在需求側(cè)，也體現(xiàn)在電源或熱源側(cè)［20］。5GDHC 系統(tǒng)通過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和調(diào)度，保持冷管和暖管的水溫恒定，盡量利用本地可再生能源及余熱、廢熱等“免費(fèi)”熱源，避免開啟耗能設(shè)備補(bǔ)熱補(bǔ)冷，但仍然需要能源站補(bǔ)熱補(bǔ)冷如大型熱泵或CHP 機(jī)組［1，3］。相比傳統(tǒng)的前4 代熱網(wǎng)，5GDHC 系統(tǒng)中大型熱泵的性能系數(shù)（COP）更高且容量更小，因?yàn)楹笳咧恍枰獙⒖諝鉁囟龋ㄈ?5 ℃）提升到30 ℃，而傳統(tǒng)熱網(wǎng)需提升到70 ℃，所以相較于傳統(tǒng)熱網(wǎng)，5GDHC 系統(tǒng)用大型熱泵補(bǔ)熱的效率更高。

5GDHC 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的電熱網(wǎng)高度耦合的復(fù)雜場(chǎng)景如圖4 所示。該場(chǎng)景改變了目前電熱綜合能源網(wǎng)由少量CHP 機(jī)組構(gòu)成的弱耦合形態(tài)，也改變了未來配電網(wǎng)的形態(tài)。多個(gè)5GDHC 系統(tǒng)是否連接、熱泵池是否向電網(wǎng)提供靈活性的連續(xù)調(diào)控運(yùn)行策略，均會(huì)影響系統(tǒng)投資成本、運(yùn)行成本與收益。熱泵池是否作為電力負(fù)荷會(huì)影響配電網(wǎng)電壓與頻率，調(diào)控?zé)岜脮?huì)影響熱泵在5GDHC 系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)水溫和流量，進(jìn)而影響輔助熱源的啟停與出力以及蓄熱裝置運(yùn)行。這些大量相互交織影響的動(dòng)態(tài)過程需要一套基于5GDHC 系統(tǒng)作為電熱強(qiáng)耦合網(wǎng)前提條件的系統(tǒng)性網(wǎng)絡(luò)流建模理論，以提高中低壓配電網(wǎng)的可觀性。通過電熱能流轉(zhuǎn)換的調(diào)控，減小線路潮流阻塞與節(jié)點(diǎn)電壓越限，分散地消納分布式可再生能源。

1.3.3 5GDHC 系統(tǒng)對(duì)綜合能源統(tǒng)一建模理論的影響

5GDHC 系統(tǒng)將分散的低品味熱源集成利用，實(shí)現(xiàn)資源共享，并利用不同建筑負(fù)荷分布的多樣性和參差率，平衡供需。分布式水環(huán)熱泵產(chǎn)消者意味著有用戶輸入，也有輸出，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)之間的熱媒雙向流動(dòng)。環(huán)狀管網(wǎng)的中心循環(huán)水泵可以由分布式的變頻變速水泵取代，分布式水泵安裝在末端熱力站中。因此，5GDHC 系統(tǒng)水力計(jì)算需考慮雙向流動(dòng)與分布式水泵。熱力模型方面，傳統(tǒng)前4 代熱網(wǎng)側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)溫度計(jì)算，但5GDHC 系統(tǒng)的水溫接近室溫，熱損耗很小，需要選取合適的總線供水溫度?？傊?，目前5GDHC 系統(tǒng)還沒有完整統(tǒng)一的建模、設(shè)計(jì)運(yùn)行方法，因此對(duì)電熱耦合網(wǎng)統(tǒng)一建模理論的影響有待研究，可從以下兩方面考慮。

穩(wěn)態(tài)方面，在目前綜合能源系統(tǒng)多能流計(jì)算中，電熱網(wǎng)的能流方程主要通過CHP 機(jī)組耦合，雅可比矩陣的非對(duì)角子矩陣非零元素非常稀少；基于5GDHC 系統(tǒng)的電熱強(qiáng)耦合網(wǎng)中，由于熱泵池構(gòu)成了大量耦合點(diǎn)，因此雅可比矩陣的非對(duì)角子矩陣非零元素會(huì)大量增加。熱泵機(jī)組的制熱量或制冷量是進(jìn)水溫度（即5GDHC 系統(tǒng)暖管或冷管水溫）的函數(shù)，熱網(wǎng)管段水溫的變化會(huì)影響末端機(jī)組的出力，因此會(huì)影響系統(tǒng)參數(shù)的靈敏度分析，如氣溫變化引起電熱負(fù)荷、5GDHC 系統(tǒng)總線溫度、水環(huán)熱泵COP 和熱泵耗電功率的變化，進(jìn)而影響配電網(wǎng)潮流與電壓分布。

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)方面，電熱綜合能源系統(tǒng)是典型的多模態(tài)異質(zhì)系統(tǒng)［7］。在供熱管網(wǎng)中，壓力波的速度約為1 000 m/s，水波傳播速度通常在0.2 m/s 與4 m/s 之間。發(fā)生擾動(dòng)后，在幾秒鐘內(nèi)系統(tǒng)狀態(tài)過渡到第1 階段（電力系統(tǒng)暫態(tài)過程）。此后，熱水管網(wǎng)的水力過程在幾十秒鐘后發(fā)生變化，此時(shí)過渡到第2 階段即水力階段。在幾分鐘內(nèi)系統(tǒng)過渡到第3階段，此階段電力系統(tǒng)中的功率流、熱網(wǎng)中的質(zhì)量流率和水溫均較上一階段有所變化。CHP 電熱耦合系統(tǒng)中，配電網(wǎng)和供熱網(wǎng)通過距離負(fù)荷較遠(yuǎn)、熱慣性延遲較大的少數(shù)CHP 能源站相互耦合。若CHP 能源站與熱用戶的距離為1 000～2 000 m，則機(jī)組水溫的變化到達(dá)熱用戶的時(shí)間可能需要大于1 h。然而，5GDHC 能源元胞的能源站僅用于補(bǔ)熱補(bǔ)冷，主要通過網(wǎng)絡(luò)中高密度分布的熱泵池耦合傳導(dǎo)。因此，需要研究其水力-熱-力分階段準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程與傳統(tǒng)CHP 機(jī)組耦合的電熱網(wǎng)之間的差異性。

1.4 基于5GDHC 系統(tǒng)能源元胞的靈活性聚合應(yīng)用前景

5GDHC 系統(tǒng)與配電網(wǎng)耦合最緊密的是熱泵池，大量的熱泵等分布式資源通過聚合的方式提升運(yùn)行靈活性，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)友好互動(dòng)。5GDHC 系統(tǒng)是由熱泵驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)，它使用超低溫?zé)峋W(wǎng)將樓宇連接在一起，并利用需求側(cè)響應(yīng)優(yōu)化電力最佳使用時(shí)間。這實(shí)際上將熱泵和樓宇本身變成了分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，為電網(wǎng)提供了低成本的平衡服務(wù)。在一個(gè)可再生能源高度滲透的配電網(wǎng)中，熱泵池建立起電網(wǎng)和熱網(wǎng)的橋梁，并且能為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，如電壓控制、配電網(wǎng)中的擁塞管理、平衡發(fā)電和需求，并確保電網(wǎng)中的穩(wěn)定頻率、消納分布式可再生能源、參與需求側(cè)響應(yīng)、虛擬儲(chǔ)能技術(shù)等［3］。

5GDHC 系統(tǒng)通過熱泵池與蓄熱提升電力系統(tǒng)靈活性帶來額外收益，而這類分布式資源的靈活性需要聚合成一定規(guī)模才能被電網(wǎng)調(diào)度或參與電力市場(chǎng)。研究顯示，高比例分布式能源的聚合為1 萬戶居民（約10 MW 電力負(fù)荷）或等價(jià)的工商業(yè)負(fù)荷是最有效的。當(dāng)把地理區(qū)域范圍限制在中低壓配電網(wǎng)時(shí)，這樣的規(guī)?？梢葬尫懦龇植际桨l(fā)電與負(fù)荷聚合的最大效益。負(fù)荷聚合商通過整合其內(nèi)部能源供應(yīng)資源和電、熱等能源需求，構(gòu)建適應(yīng)本地能源供應(yīng)能力及結(jié)構(gòu)的能源需求曲線，可以顯著提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。聚合商主要是為中小負(fù)荷提供參與市場(chǎng)調(diào)節(jié)的機(jī)會(huì)，整合需求側(cè)資源并與其他市場(chǎng)主體進(jìn)行交易。聚合商通過“虛擬電廠（VPP）”的先進(jìn)信息通信技術(shù)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷等分布式資源的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，并為電網(wǎng)提供能量與輔助服務(wù)。

能源元胞定義為一定的地理邊界范圍內(nèi)，根據(jù)不同目標(biāo)控制分布式資源集群的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，如圖5（a）所示［21］。能源元胞概念利用電力系統(tǒng)自然的分層級(jí)電壓體系來構(gòu)建分布式資源的聚合和控制，將分布式發(fā)電和可控負(fù)荷作為系統(tǒng)資源參與市場(chǎng)，并用作緩解分布式發(fā)電上網(wǎng)連接限制的手段。能源元胞概念是分布式形態(tài)系統(tǒng)的典型代表，不僅可成為電力系統(tǒng)的分布式管理機(jī)制，還可成為熱力和燃?xì)馍踔两煌茉吹姆植际焦芾頇C(jī)制。5GDHC系統(tǒng)的擴(kuò)展與元胞的生長(zhǎng)演化十分類似。因?yàn)?GDHC 系統(tǒng)是漸進(jìn)式的能源變革，不需要提前多年規(guī)劃大型能源站，可以根據(jù)項(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)度逐步投入，比如先建立樓宇供熱供冷網(wǎng)，然后連接擴(kuò)張形成區(qū)域5GDHC 系統(tǒng)。

圖5 能源元胞拓?fù)浜挽`活性聚合的設(shè)備-樓宇-區(qū)域分層級(jí)示意圖Fig.5 Schematic diagram of energy cell topology and flexibility aggregation in device-building-district hierarchical level

能源元胞概念充分利用了“配電網(wǎng)電壓分層級(jí)、5GDHC 模塊化延展”的特征，依據(jù)電壓等級(jí)形成層級(jí)體系：設(shè)備層、樓宇元胞層、區(qū)域聚合商層，分別對(duì)應(yīng)設(shè)備控制、本地能量管理系統(tǒng)（EMS）、聚合商協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。本文將樓宇元胞作為最小的元胞單元。自下而上的元胞進(jìn)化模型將系統(tǒng)理解為自下而上、由基本成分組成的層級(jí)結(jié)構(gòu)，級(jí)別成分構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)，個(gè)體在網(wǎng)絡(luò)中相互作用，系統(tǒng)的功能則是這些相互作用的表現(xiàn)。層級(jí)體系的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜系統(tǒng)逐漸演變的內(nèi)在方法，包含了進(jìn)化的內(nèi)涵，即要在簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)上構(gòu)建更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，必須使用某種類型的模塊化設(shè)計(jì)，如圖5（b）所示。能源元胞相較于VPP 的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：減少了中間交易環(huán)節(jié)的費(fèi)用。這是因?yàn)樵诤狭宋㈦娋W(wǎng)與VPP 的功能。VPP 因?yàn)殛P(guān)注發(fā)電資源而忽視本地負(fù)荷消費(fèi)，但元胞給予用戶以優(yōu)惠價(jià)格使用本地發(fā)電機(jī)組的機(jī)會(huì)?；诖?，本文提出了構(gòu)建一套基于5GDHC 系統(tǒng)能源元胞的分層級(jí)協(xié)調(diào)體系以及靈活性聚合與分配方法的思路。聚合商根據(jù)分時(shí)或?qū)崟r(shí)電價(jià)、配電網(wǎng)約束等信息，協(xié)調(diào)智慧能源元胞中靈活性資源的啟停與運(yùn)行。

設(shè)備層：把設(shè)備資源屬性及用戶舒適度偏好設(shè)置發(fā)送給元胞；從元胞接收啟?；虺隽φ{(diào)整指令，并進(jìn)行調(diào)整。

元胞層：接收熱泵、水泵與蓄熱等設(shè)備資源的信息并進(jìn)行聚合，計(jì)算設(shè)備出力分配的調(diào)度指令；發(fā)送出力調(diào)整指令給設(shè)備。

聚合商：接收元胞的出力列表信息并聚合，然后發(fā)送給配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商（DSO），后者進(jìn)行配電網(wǎng)運(yùn)行安全域的邊界越限驗(yàn)證及給出偏差電量罰款等指標(biāo)。

利用能源元胞，供需資源的同時(shí)優(yōu)化變得可能。能源元胞模型內(nèi)部由于簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)模型，因此可以對(duì)復(fù)雜擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)時(shí)間尺度問題實(shí)現(xiàn)快速高效計(jì)算。然而元胞模型改變了原始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，丟失了表征網(wǎng)絡(luò)的信息，會(huì)導(dǎo)致原始未簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)與簡(jiǎn)化的元胞網(wǎng)絡(luò)模型之間的偏差。偏差指元胞之間聯(lián)絡(luò)線的有功和無功功率、聯(lián)絡(luò)管段的壓力與質(zhì)量流率等偏差，以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)與網(wǎng)損。因此，可利用補(bǔ)償方法以接近真實(shí)網(wǎng)絡(luò)［21］。

如果未來5GDHC 系統(tǒng)推廣，分布式熱泵的數(shù)量將會(huì)急劇增加。然而熱泵池均通過5GDHC 系統(tǒng)熱網(wǎng)管段連接，電熱網(wǎng)之間交互影響的動(dòng)態(tài)特性與機(jī)理尚不明確。目前已有的需求側(cè)響應(yīng)方法及靈活性資源聚合方法較少涉及5GDHC 系統(tǒng)熱泵池，需要進(jìn)一步研究。

蓄熱方面，在5GDHC 系統(tǒng)中，一般有3 級(jí)蓄熱：系統(tǒng)層面的季節(jié)性蓄熱；末端分布式熱泵能源子站的短期蓄熱；用戶層面的瞬間蓄熱。管道本身也可以當(dāng)作蓄熱罐看待。在有補(bǔ)熱的能源中心，可以利用太陽能或夜間電力對(duì)管道中的水進(jìn)行預(yù)熱預(yù)冷。因此，不同于傳統(tǒng)熱網(wǎng)，分布式蓄熱、管段本身蓄熱與季節(jié)性蓄熱是5GDHC 系統(tǒng)蓄熱的特征，具體表現(xiàn)為：分布式蓄熱可根據(jù)所需位置存儲(chǔ)熱能，顯著降低相應(yīng)管段流速峰值；5GDHC 系統(tǒng)管徑和管網(wǎng)流量大于常規(guī)供熱管網(wǎng)；5GDHC 系統(tǒng)同時(shí)供暖供冷，通常與季節(jié)性蓄熱如地埋管連接。

2 電熱網(wǎng)建?，F(xiàn)狀分析

2.1 5GDHC 的研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)［3］在總結(jié)中國(guó)城市發(fā)展特點(diǎn)和方向的基礎(chǔ)上，提出了適應(yīng)于建設(shè)低碳城市的能源總線系統(tǒng)概念，在歐洲被稱為5GDHC 系統(tǒng)［1，2，16］。所謂“能源總線”就是將來自于可再生能源或未利用能源的熱源/熱匯水，通過作為基礎(chǔ)設(shè)施的管網(wǎng)輸送到用戶。在城市范圍內(nèi)，廣泛存在著各種低品質(zhì)的能源資源，例如淺層地表蓄熱、江河湖海水、地下水、城市污水、工業(yè)余熱/廢熱、各種工藝排熱或建筑排熱，以及太陽能和空氣。這些低品質(zhì)能源的特點(diǎn)是數(shù)量大但密度低，應(yīng)用中存在效率低、不經(jīng)濟(jì)等問題。5GDHC系統(tǒng)的熱源采用低品位能源、可再生能源、熱回收的能源，以及小部分高品位能源作為輔助熱源如燃?xì)忮仩t與空氣源熱泵等。在用戶端，總線來的水作為水源熱泵的熱源/熱匯，經(jīng)換熱后回到源頭，或排放（地表水）或循環(huán)再次換熱（通過換熱器與各種“源”和“匯”耦合）或回灌（地下水）。已有“能源總線”相關(guān)文獻(xiàn)集中在建筑暖通學(xué)科層面，研究了能源總線與熱泵的能效評(píng)價(jià)等［3，22］。5GDHC 系統(tǒng)與第4 代區(qū)域供熱系統(tǒng)具有變革性的不同［1-2］。第4 代區(qū)域供熱系統(tǒng)是低溫區(qū)域供熱系統(tǒng)，它仍然是一種從中心能源站向末端熱力站或用戶集中供熱的模式，采用了低溫（30～60 ℃）供水，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與第3 代沒有很大差別［23］。其供熱主機(jī)可以不用燃燒型鍋爐而改用電力驅(qū)動(dòng)熱泵，或利用工業(yè)廢熱［24］。5GDHC 系統(tǒng)定義為一個(gè)以水或鹽水為載體介質(zhì)的熱能供應(yīng)網(wǎng)，末端是帶有水源熱泵的混合熱力站。它的工作溫度非常接近環(huán)境溫度，因此不適合直接供暖。輸送的載體可以提供給分布式水源熱泵，滿足用戶的個(gè)性化需求。與區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)相比，5GDHC系統(tǒng)在低負(fù)荷率情況下的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和節(jié)能管理有更大的優(yōu)勢(shì)。5GDHC 系統(tǒng)具有可拓展性：城區(qū)建筑很多是分期建設(shè)，負(fù)荷是逐漸增加的，環(huán)網(wǎng)可以適應(yīng)這種擴(kuò)展。另外，用戶分布式水環(huán)熱泵系統(tǒng)可以根據(jù)項(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)度逐步投入。5GDHC 系統(tǒng)在中國(guó)已有多個(gè)項(xiàng)目投入應(yīng)用［3］；國(guó)外也建成了5GDHC提升電網(wǎng)靈活性的項(xiàng)目［16］。文獻(xiàn)［6］全面回顧總結(jié)了現(xiàn)代區(qū)域供熱網(wǎng)的模型、運(yùn)行與規(guī)劃，但是目前5GDHC 系統(tǒng)還沒有完整統(tǒng)一的設(shè)計(jì)與運(yùn)行方法。

5GDHC 系統(tǒng)的物理特性表現(xiàn)為：1）雙向網(wǎng)絡(luò)：分布式水環(huán)熱泵產(chǎn)消者意味著有用戶輸入，也有用戶輸出；2）管網(wǎng)分布：未來熱力網(wǎng)將集成大量的分布式熱源，多源環(huán)狀熱力網(wǎng)水力交匯特性復(fù)雜；3）管網(wǎng)流量：管網(wǎng)水溫接近環(huán)境溫度，用戶側(cè)熱力站的進(jìn)出口水溫差小，為保證用戶端熱泵性能，管徑和管網(wǎng)流量要大于常規(guī)供熱管網(wǎng)；4）流量調(diào)節(jié)：分布式循環(huán)水泵變頻調(diào)節(jié)的水力特性不僅與水泵選型有關(guān)，還與熱源、水力工況、定壓方式及管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)；5）熱泵性能：熱泵機(jī)組的制熱量或制冷量是進(jìn)水溫度的函數(shù)，熱網(wǎng)管段水溫的變化會(huì)影響末端機(jī)組的出力。

綜上，目前5GDHC 系統(tǒng)主要有以下研究方向：

1）仍以建筑暖通學(xué)科為主，較少涉及電網(wǎng)交互分析；

2）主要基于傳統(tǒng)前4 代熱網(wǎng)建模，即少量能源站的輻射狀網(wǎng)絡(luò)；

3）5GDHC 具有多源、環(huán)狀、雙向、超低溫、末端熱泵供暖等特性，且熱網(wǎng)管段與地埋管蓄熱的熱動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜。

2.2 電熱耦合網(wǎng)多能流建模理論

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)研究，在能源動(dòng)力、化工以及經(jīng)濟(jì)學(xué)等領(lǐng)域，通常對(duì)電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化處理，不計(jì)及潮流計(jì)算，可能導(dǎo)致非可行解，如電壓越限等［25］。在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，中國(guó)高校與研究機(jī)構(gòu)都開展了廣泛研究［4，5，26-32］。目前主要采用兩類基本模型，一類是能量樞紐模型，另一類是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?。能量樞紐模型將電力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)推廣為能量樞紐，能量樞紐等效為包含多能源向量（冷/熱/電/氣）以及儲(chǔ)能的輸入輸出端口模型［8，33］?；诰W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆?lián)合潮流模型中，文獻(xiàn)［9，11］將管網(wǎng)熱量傳輸?shù)臅r(shí)延與熱損失進(jìn)行拆分計(jì)算，熱損失采用穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算。統(tǒng)一能路模型通過將氣、熱流體的偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣、熱網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性的聯(lián)合仿真；通過將時(shí)域中的氣、熱網(wǎng)絡(luò)模型映射至頻域，可實(shí)現(xiàn)氣網(wǎng)、熱網(wǎng)與電網(wǎng)的統(tǒng)一建模［5］；文獻(xiàn)［34］從電路的角度出發(fā)，可將氣網(wǎng)和熱網(wǎng)中的元件類比為電路元件，從而提出與電路分析方法相統(tǒng)一的綜合能源系統(tǒng)分析方法；廣義電路模型通過將多能源網(wǎng)絡(luò)在時(shí)域的復(fù)雜特性轉(zhuǎn)換為復(fù)頻域的代數(shù)問題，可建立電、氣、熱多系統(tǒng)相統(tǒng)一的分布參數(shù)電路和網(wǎng)絡(luò)模型等［4］。另外廣義電路與統(tǒng)一能路理論假設(shè)為工質(zhì)流量恒定，即處于僅改變供熱溫度的質(zhì)調(diào)節(jié)運(yùn)行模式［4］。質(zhì)調(diào)節(jié)主要通過保持燃料輸入速率恒定而改變熱源的供熱溫度，量調(diào)節(jié)則保持熱源供熱溫度恒定，通過改變水泵頻率和閥門開度而改變管網(wǎng)流量。文獻(xiàn)［10］基于網(wǎng)絡(luò)和流的映射，用矩陣描述網(wǎng)絡(luò)，用功率方程描述能流，通過構(gòu)建轉(zhuǎn)換效率矩陣與置換矩陣，將任意數(shù)量的各類能源設(shè)備映射到其電熱氣網(wǎng)所在的物理節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建所有設(shè)備出力與電熱氣網(wǎng)各能流方程關(guān)聯(lián)的聯(lián)合物理方程。文獻(xiàn)［35］通過把多能流聯(lián)合方程構(gòu)建為優(yōu)化模型的等式約束，研究了各種能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換設(shè)備的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行方法。文獻(xiàn)［36］基于分解協(xié)調(diào)方法研究了電熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法。

網(wǎng)絡(luò)流與運(yùn)行可行域建模對(duì)綜合能源的價(jià)值至關(guān)重要，因?yàn)槎嗄茉丛O(shè)備的使用很可能會(huì)超過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行限制。目前光伏發(fā)電、熱泵、電動(dòng)汽車滲透率的提高造成配電網(wǎng)潮流和電壓的波動(dòng)，引發(fā)配電網(wǎng)升級(jí)改造需求，包括改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大容量，以及某些調(diào)控資源的應(yīng)用如儲(chǔ)能、有載調(diào)壓變壓器的使用。事實(shí)上，電熱綜合能源的建模仿真（不考慮優(yōu)化功能）還在研究發(fā)展中，正確的建模是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)：冷熱網(wǎng)的慢動(dòng)態(tài)特性、電熱網(wǎng)的復(fù)雜相互影響與多時(shí)空的綜合能源需求響應(yīng)。文獻(xiàn)［37］通過有向加權(quán)圖研究電熱能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，但是沒有電網(wǎng)與熱網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流分析。文獻(xiàn)［38］基于電熱邊界可行域概念研究了考慮區(qū)域供熱管網(wǎng)熱傳導(dǎo)過程的CHP 電熱耦合系統(tǒng)的調(diào)度方法。文獻(xiàn)［39］研究了考慮樓宇熱慣性的電熱綜合能源調(diào)度的可行域方法。文獻(xiàn)［40-41］通過閔可夫斯基和（Minkowski sum）集成多個(gè)靈活性資源的功率集，形成靈活性多面體可行區(qū)域，通過投影到二維空間，形象地顯示由多個(gè)資源提供的總體靈活性。文獻(xiàn)［42］研究了分布式資源聚合組成的VPP 的可行域與靈活性運(yùn)行域的計(jì)算方法與經(jīng)濟(jì)分析。文獻(xiàn)［43-44］研究了多源環(huán)狀供熱網(wǎng)的熱力損耗與熱力暫態(tài)模型，文獻(xiàn)［45］兼顧熱網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性與精細(xì)化水力模型，但很少文獻(xiàn)研究5GDHC 系統(tǒng)中通過管段熱媒相連的熱泵池對(duì)配電網(wǎng)與熱網(wǎng)多時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)過程的影響。

綜上，當(dāng)前電熱綜合能源網(wǎng)的研究大多局限于由少量熱電聯(lián)供機(jī)組構(gòu)成的弱耦合網(wǎng)絡(luò)，存在如下缺陷：

1）未考慮5GDHC 系統(tǒng)構(gòu)成的電熱網(wǎng)高密度耦合形態(tài)。

2）未考慮多源環(huán)狀雙向5GDHC 系統(tǒng)中熱源的熱交換量、總線水溫度和用戶熱泵機(jī)組工況三者互相耦合的復(fù)雜運(yùn)行調(diào)節(jié)策略。

3）未考慮熱泵池強(qiáng)耦合改變了電熱綜合能源系統(tǒng)多時(shí)間尺度的水力-熱力分階段準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程。

2.3 分布式資源的靈活性聚合方法

高滲透率可再生能源消納問題歸根結(jié)底是電力系統(tǒng)的靈活性不足［46-47］。當(dāng)前有很多學(xué)者研究如何通過電-熱綜合能源系統(tǒng)多能互補(bǔ)提升電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性［48-50］，文獻(xiàn)［51］綜述了電制熱消納可再生能源的模型與靈活性潛力，主要分為2 類：一類是利用熱網(wǎng)蓄熱的慢動(dòng)態(tài)特性，另一類是對(duì)溫控負(fù)荷的靈活性聚合。

第1 類主要通過部署儲(chǔ)熱裝置或者電加熱系統(tǒng)（如熱泵和電鍋爐）提高以熱定電CHP 機(jī)組的可調(diào)節(jié)能力，減少棄風(fēng)問題［52］。文獻(xiàn)［7］圍繞熱力管網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性建模及電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化等方面，回顧分析了利用熱力管網(wǎng)熱慣性提升電熱綜合能源系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的研究方法。文獻(xiàn)［53］全面研究了熱網(wǎng)和冷網(wǎng)的慢動(dòng)態(tài)特性及蘊(yùn)含的調(diào)度靈活性，應(yīng)用于多能優(yōu)化調(diào)度。文獻(xiàn)［52］將電熱靈活性應(yīng)用于解決風(fēng)力發(fā)電消納與CHP 機(jī)組廣泛應(yīng)用之間的矛盾。文獻(xiàn)［48］提出利用區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)的蓄熱能力來增加靈活性，但求解方法較復(fù)雜。文獻(xiàn)［54］考慮熱力系統(tǒng)多重?zé)釕T性（電儲(chǔ)熱鍋爐、熱網(wǎng)、建筑物）的電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行模型。文獻(xiàn)［55］研究了含儲(chǔ)熱的電-熱聯(lián)供系統(tǒng)，應(yīng)用能量流法構(gòu)建包含儲(chǔ)熱、傳熱和漏熱過程在內(nèi)的系統(tǒng)整體能量流模型，獲得系統(tǒng)中電能、熱能的整體傳輸約束。文獻(xiàn)［56］提出基于廣義蓄熱模型的靈活性評(píng)價(jià)方法，通過熱源爬坡速率、熱輸入極限和熱能容量這3 個(gè)靈活性指標(biāo)量化評(píng)估區(qū)域熱力網(wǎng)絡(luò)在為電-熱系統(tǒng)提供平衡方面的能力。文獻(xiàn)［57］提出了在滿足熱網(wǎng)特性以及供能網(wǎng)絡(luò)電壓、溫度等節(jié)點(diǎn)狀態(tài)約束的條件下，考慮電/熱儲(chǔ)能互補(bǔ)協(xié)調(diào)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法。為分析熱網(wǎng)特性和電網(wǎng)交流潮流約束對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的影響，相關(guān)文獻(xiàn)討論了考慮與不考慮供能網(wǎng)絡(luò)特性兩種情況。文獻(xiàn)［58］建立了通過利用電熱轉(zhuǎn)換技術(shù)和建筑熱慣性消納不確定可再生能源的機(jī)會(huì)約束模型。文獻(xiàn)［59］指出熱能傳輸延時(shí)和熱網(wǎng)虛擬儲(chǔ)能特性主要體現(xiàn)在一次熱網(wǎng)中，二次熱網(wǎng)及用戶部分傳輸延時(shí)較小，動(dòng)態(tài)過程不明顯；進(jìn)一步提出熱能輸運(yùn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型，考慮了熱能傳輸過程的延時(shí)性和一次熱網(wǎng)的虛擬儲(chǔ)能特性。在電-熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行中將熱網(wǎng)作為調(diào)度資源加以利用，可發(fā)揮電-熱系統(tǒng)的互補(bǔ)性。通過構(gòu)建2 種場(chǎng)景，對(duì)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中一次熱網(wǎng)的虛擬儲(chǔ)能調(diào)節(jié)潛力進(jìn)行分析。算例分析得出CHP 機(jī)組出力不再追隨系統(tǒng)熱負(fù)荷，轉(zhuǎn)而開始響應(yīng)系統(tǒng)電價(jià)激勵(lì)，將一部分熱出力從電價(jià)較高的時(shí)段平移到電價(jià)較低的時(shí)段來達(dá)到降低系統(tǒng)運(yùn)行成本的目的，可平移熱出力的多少與熱網(wǎng)虛擬儲(chǔ)能的能力有關(guān)。

第2 類主要通過對(duì)異構(gòu)、分散、多樣的分布式能源進(jìn)行靈活性聚合。文獻(xiàn)［60］通過分布式協(xié)調(diào)控制靈活需求技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效益。文獻(xiàn)［61-62］通過多種能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換設(shè)備提高綜合能源系統(tǒng)的靈活性。少數(shù)研究靈活性優(yōu)化的文獻(xiàn)同時(shí)包含了電網(wǎng)潮流方程約束與熱網(wǎng)熱力流方程約束［63-64］。文獻(xiàn)［65］提出居民樓宇電熱系統(tǒng)的靈活性量化架構(gòu)。文獻(xiàn)［66］研究了分布式靈活性資源設(shè)備的變工況特性。文獻(xiàn)［67］研究了熱泵與光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的影響。文獻(xiàn)［68］針對(duì)分層級(jí)協(xié)調(diào)中聚合商與上下各層交互的信息邊界較不清晰，提出分層級(jí)的MPC 方法聚合熱泵以向電網(wǎng)提供靈活性。文獻(xiàn)［17］研究了5GDHC 系統(tǒng)通過熱泵與蓄熱之間的電熱轉(zhuǎn)換提供需求側(cè)響應(yīng)，計(jì)算了所研究項(xiàng)目全年向電網(wǎng)提供靈活性服務(wù)的收益，包含固定頻率響應(yīng)（FFR）、短期運(yùn)行備用（STOR）與過網(wǎng)費(fèi)（UoS），其中短期運(yùn)行備用主要為減少電網(wǎng)阻塞。

綜上，目前綜合能源電熱耦合系統(tǒng)提升電力系統(tǒng)靈活性的研究有以下特點(diǎn)：

1）主要通過溫控負(fù)荷聚合（與熱網(wǎng)無關(guān)聯(lián)）或熱網(wǎng)管段的熱慣性和慢動(dòng)態(tài)特性；

2）未考慮能源元胞的熱泵池均通過5GDHC 管段連接并相互影響；

3）未探討同時(shí)通過調(diào)控5GDHC 互聯(lián)熱泵池及利用熱網(wǎng)管道與地埋管蓄熱的慢動(dòng)態(tài)特性提升電網(wǎng)靈活性。

3 探討

5GDHC 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)耦合能源元胞研究方案具體參見附錄A。

目前，綜合能源系統(tǒng)主要基于傳統(tǒng)的前4 代熱網(wǎng)，熱媒溫度較高，用戶同時(shí)接入?yún)^(qū)域供熱網(wǎng)并安裝現(xiàn)場(chǎng)鍋爐或熱泵實(shí)現(xiàn)混合供熱的投資成本非常高，應(yīng)用效果有限。本文基于暖通工程領(lǐng)域的5GDHC系統(tǒng)，水溫接近于環(huán)境溫度，用塑料管取代鋼管，管道無須保溫，大大降低了管道投資成本與熱力傳輸損耗，還可大量利用分布式的可再生能源。另外，不同于空氣源或土壤源，5GDHC 系統(tǒng)的恒溫水源提高了末端熱泵的效率，并能實(shí)現(xiàn)同時(shí)供冷供熱。

當(dāng)前，電熱綜合能源網(wǎng)研究主要基于少量大型CHP 機(jī)組的弱耦合，即通過邊界外端口研究互相交互的多能源網(wǎng)絡(luò)等值端口模型。5GDHC 系統(tǒng)具有多源環(huán)狀雙向流動(dòng)特性，通過高密度熱泵池、蓄熱與配電網(wǎng)緊密耦合，其熱慣性動(dòng)態(tài)過程與配電網(wǎng)之間的交互機(jī)理與傳統(tǒng)CHP 熱網(wǎng)不同。本文提出建立基于能源元胞的耦合度更高的電-熱網(wǎng)絡(luò)模型，通過分析網(wǎng)絡(luò)流與可行域（邊界條件），可實(shí)現(xiàn)多時(shí)間尺度的強(qiáng)耦合電熱網(wǎng)方程求解。

現(xiàn)階段，電熱轉(zhuǎn)換提升靈活性的研究很少可以同時(shí)利用溫控負(fù)荷聚合與熱網(wǎng)熱慣性。在溫控負(fù)荷提升電網(wǎng)靈活性的研究中，所有熱泵設(shè)備與熱網(wǎng)無關(guān)聯(lián)，而5GDHC 系統(tǒng)中所有熱泵均通過管段熱媒相連并相互影響。本文將智慧能源元胞概念引入靈活性聚合，研究5GDHC 系統(tǒng)熱泵池作為電力系統(tǒng)可調(diào)控的靈活性資源以及調(diào)控?zé)岜贸貙?duì)配電網(wǎng)、5GDHC 系統(tǒng)及蓄熱等的動(dòng)態(tài)交互影響，綜合解決電熱多種能源形式的聚合和分配方式，為電網(wǎng)調(diào)峰提供新的解決思路，推進(jìn)數(shù)學(xué)和控制方法在電熱綜合能源系統(tǒng)中的工程應(yīng)用。

4 結(jié)語

電熱綜合能源系統(tǒng)是典型的綜合能源系統(tǒng)類型，本文研究基于5GDHC 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的電熱網(wǎng)高密度深度融合網(wǎng)絡(luò)問題，研究涉及電氣工程、建筑暖通等學(xué)科交叉，通過5GDHC 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)集成冷熱的調(diào)控慢動(dòng)態(tài)和電的快動(dòng)態(tài)，從網(wǎng)級(jí)耦合揭示不同物質(zhì)性質(zhì)，提升電力系統(tǒng)的靈活性。本文聚焦于“強(qiáng)耦合元胞網(wǎng)絡(luò)流”和“智慧元胞靈活性聚合”研究，從5GDHC 系統(tǒng)的精細(xì)化建模、高密度耦合的能源元胞網(wǎng)絡(luò)流理論、能源元胞集的靈活性聚合等角度給出了研究思路與展望。

現(xiàn)階段綜合能源系統(tǒng)熱網(wǎng)研究主要針對(duì)中國(guó)北方地區(qū)，若采用5GDHC 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的能源元胞系統(tǒng)和分層級(jí)靈活性聚合方法，可望提高收益降低成本，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用在南方地區(qū)同時(shí)供冷供暖的目標(biāo)。5GDHC 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的能源元胞將成為電網(wǎng)削峰和消納可再生能源的重要手段，促進(jìn)能源資源優(yōu)化配置和綜合能效提升。未來全覆蓋的能源信息網(wǎng)絡(luò)和城市能源互聯(lián)網(wǎng)綜合監(jiān)測(cè)與管理平臺(tái)的建設(shè)為智慧能源元胞提供了更大的發(fā)展空間。后續(xù)將通過實(shí)際工程案例對(duì)網(wǎng)絡(luò)流理論與靈活性聚合算法的驗(yàn)證等方面開展研究。本文提出的研究思路有望為電熱綜合能源系統(tǒng)建模優(yōu)化注入新的活力，在可再生能源消納、碳中和等均具有廣泛的應(yīng)用前景。

基于5GDHC 的電熱綜合能源系統(tǒng)研究剛剛起步，希望本文工作能夠引起業(yè)內(nèi)關(guān)注，推動(dòng)相關(guān)研究的開展。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。