基于5GDHC系統(tǒng)的電-熱雙向耦合建模仿真與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分析

中圖分類號：TK019 文獻標(biāo)志碼：A

Electro-thermal bidirectional coupling modeling simulation quasi-steady-state analysis based on 5GDHC system

ZHANG Ruiteng， LI Ling （School， cience ，

Abstract： Based on the fifth generation district heating cooling （5GDHC） system with deep bidirectional coupling electric power network， a simulation model a new electro-thermal bidirectional coupling network with complex new characteristics was constructed. Considering that the coupling nodes coupling modes the new interconnection network had changed， which could lead to security issues in the operation stage， the multi-time-scale analysis method was introduced to divide the quasi-steady-state stages the electro-thermal network. The interaction mechanism between the 5GDHC system the electric power network was explored by adding disturbances in diferent quasisteady-state stages， the differences in interaction behaviors between it the traditional electrothermal network were analyzed. Finally， the validity the model quasi-steady-state analysis was verified through the integrated energy system a 12-node distribution network a 26-node heating network in a certain area. The simulation results show that the complementary cold heat power the network can reach 13.5MW in the time domain， the heat loss under low temperature operation only accounts 1.3% the network heat supply， the number hydraulic junction points reflecting the hydraulic characteristics the network is increased to a maximum 5. The quasi-steady-state analysis reveals that compared with the traditional electro-thermal network， the hydraulic change the new electro-thermal network is more significant， reaching 5.7kg/s ， while the thermal change is relatively gentle， only 0.054^°C . In addition， the disturbance does not affect the indoor temperature the building.

Keywords： integrated energy system; bidirectional coupling; 5GDHC system; time domain simulation; quasi-steady-state analysis

綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）推動了不同能源形式之間的耦合與互動，在能源利用效率和可再生能源模塊化開發(fā)方面具有顯著優(yōu)勢。傳統(tǒng)供熱與制冷系統(tǒng)存在能源損耗、環(huán)境污染和無法滿足多樣化需求等問題[1-2]，而第五代區(qū)域供熱供冷（the fifthgenerationdistrictheatingcooling，5GDHC）系統(tǒng)接入低品位余熱和清潔可再生能源，減少了環(huán)境污染和能源損耗，并且可支持多樣化需求，形成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)冷量和熱量的流動互補[3。因此，5GDHC系統(tǒng)替代傳統(tǒng)供熱供冷系統(tǒng)整合入IES具有很大的應(yīng)用價值。

目前，已有文獻探討了5GDHC系統(tǒng)在冷熱功率互補方面的潛力[4]，以及在能源高效利用方面的優(yōu)勢[5]，同時亦研究了其對電力生產(chǎn)問題的緩解[]等議題。雖然5GDHC系統(tǒng)模型的構(gòu)建方法已相對成熟，但與其他網(wǎng)絡(luò)的耦合關(guān)系，特別是與電力網(wǎng)絡(luò)之間的雙向耦合，仍需進一步深入研究。此外，現(xiàn)有研究大多集中在IES的經(jīng)濟與優(yōu)化方面[7-9]，較少考慮異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)之間的耦合關(guān)系和互動機制[10]，而這些較少考慮的因素關(guān)系到運行階段的安全性問題。Dancker等[1]提出了一種基于靈敏度因子的新方法，用于估計綜合能源系統(tǒng)中單元功率變化對功率流和計算時間的影響。潘昭光等[12]提出了IES預(yù)想事故集的概念，說明了開展多能流靜態(tài)安全分析的必要性。隨后，通過劃分準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段分析區(qū)域電力和供熱系統(tǒng)的相互作用機制，為進一步的在線安全分析和經(jīng)濟調(diào)度提供基礎(chǔ)[13]。在已有的IES運行安全性的研究中，熱力網(wǎng)絡(luò)局限于集中供熱系統(tǒng)，而在5GDHC系統(tǒng)與配電網(wǎng)絡(luò)高密度網(wǎng)狀耦合且雙向交互的場景下，網(wǎng)絡(luò)間耦合節(jié)點和耦合方式都會有所改變，網(wǎng)絡(luò)互動更加密切，進而引發(fā)的安全問題也會更加突出。

為此，在網(wǎng)絡(luò)建模方面，為適應(yīng)具有不同物理性質(zhì)的網(wǎng)級高密度雙向耦合新形態(tài)，本文構(gòu)建了新型電-熱雙向耦合的綜合能源網(wǎng)絡(luò)流模型，并給出其潮流計算流程；在互動機制方面，本文將新型電-熱綜合能源網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)過程根據(jù)多時間尺度特征劃分為4個準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段，探討電網(wǎng)擾動下5GDHC系統(tǒng)與電力網(wǎng)絡(luò)的交互機制以及可能存在的安全隱患，并對比分析其與傳統(tǒng)電-熱網(wǎng)絡(luò)在交互機制上的差異性。最后，通過某區(qū)域綜合能源系統(tǒng)案例驗證所提模型和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分析的有效性。

1 新型電-熱綜合能源系統(tǒng)建模

1.1 電-熱綜合能源穩(wěn)態(tài)模型

基于5GDHC系統(tǒng)的復(fù)雜特性，本文搭建了耦合配電網(wǎng)的電-熱綜合能源網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)模型

1.1.1電網(wǎng)模型

電力系統(tǒng)潮流模型已經(jīng)發(fā)展得非常成熟完備，本文用交流潮流模型來描述電力網(wǎng)絡(luò)的運行特性：

式中： ΔP_i 、 ΔQ_i 分別表示節(jié)點 i 處的有功、無功不平衡量； P_i^sp 、 Q_i^sp 分別表示節(jié)點 i 處的注入有功、無功功率； V 表示節(jié)點的電壓幅值； G_ij B_ij 分別表示節(jié)點 i 到節(jié)點 j 的電導(dǎo)和電納； θ_ij 表示節(jié)點 i 到節(jié)點 j 的電壓相角差，

1.1.2熱平衡單元模塊的構(gòu)建

以電鍋爐作為輔助熱源，集成低溫?zé)嵩礃?gòu)成5GDHC系統(tǒng)的熱平衡單元，如圖1所示。

熱平衡單元內(nèi)， T_psset 時，電鍋爐開啟，熱功率滿足如下關(guān)系式：

Q_sub=c_pm（T_set-T_ps）

Q_bal=Q_sub+Q_low

反之，電鍋爐關(guān)閉，熱功率滿足如下關(guān)系式：

Q_sub=0

Q_bal=Q_low=c_pm（T_set-T_r）

式中： 、 Q_low 、 分別表示熱平衡單元、低溫?zé)嵩春碗婂仩t的熱功率； c_p 表示水的比定壓熱容； T_set 表示熱平衡單元的設(shè)定供水溫度； T_ps 表示低溫?zé)嵩吹某隹跍囟龋??_m 表示流經(jīng)設(shè)備的質(zhì)量流率； T_r 表示熱平衡單元的回水溫度。

1.1.3建筑變電站模塊的構(gòu)建

對于單一負荷需求的建筑，變電站內(nèi)只需運行可逆熱泵或者制冷機，當(dāng)建筑同時有冷熱負荷需求時，則需要熱泵和制冷機同時運行，即為“熱力產(chǎn)銷者”[4]，如數(shù)據(jù)中心和大型超市等[14]。下面分兩部分介紹建筑變電站模型

a.熱泵

熱泵內(nèi)部的能量關(guān)系式如下：

Q_evap+P_hp=Q_cond

式中： Q_evap 表示蒸發(fā)器從外部吸收的熱量； Q_cond 表示冷凝器向外部釋放的熱量； P_hp 表示壓縮機消耗的電量。

熱泵的輸出熱量與輸入電量之比為評價熱泵性能的指標(biāo)，稱為性能系數(shù) H_cop ，其計算公式為

式中， 表示熱泵制熱/制冷模式下的性能系數(shù)。

假設(shè)熱泵的性能系數(shù)大致遵循卡諾循環(huán)的效率，則與冷暖管溫度構(gòu)成的強函數(shù)如下：

式中： η_carnot 表示卡諾比例因子，代表熱泵 H_cop 理論值與熱力學(xué)最大值的比值； 、 表示熱泵蒸發(fā)器側(cè)和冷凝器側(cè)進出口水的平均溫度。

b.熱力產(chǎn)銷者

圖2展示了熱力產(chǎn)銷者的內(nèi)部能量交互以及與外部冷暖管網(wǎng)的能量交互。

變電站內(nèi)熱泵為滿足建筑原始熱負荷所消耗的熱功率 Q_b，h ，可由熱泵的性能系數(shù) H_cop 以及該建筑原始熱負荷 Q_b，uh 計算得出，制冷模式下同理可推：

式中： Q_b，uh 表示建筑b的原始熱負荷； Q_b，uc 表示建筑 b 的原始冷負荷； 表示熱泵滿足原始熱負荷消耗的熱功率； 表示冷水機組滿足原始冷負荷所釋放的余熱功率； b 表示單棟建筑

余熱功率大小直接影響變電站內(nèi)以及變電站之間的能量交互。

變電站內(nèi)能量交互可用 Q_b，bal 表示：

變電站與其他變電站之間的能量交互可用Q_b，net 表達：

Q_b，net=Q_b，h-Q_b，c

Q_b，net 計算結(jié)果中的正負號代表能量流動的方向。

1.1.4管道模型

由于管道設(shè)計溫度接近地面溫度，管道選擇使用非保溫塑料材質(zhì)。假設(shè)地面具有無限熱容，管道埋深 y 處的無擾動地面溫度計算如下：

式中： T_ground 表示地層某一深度在某一時刻的無擾動溫度； A_s 表示地層表面溫度波幅； T_m 表示地層表面年平均溫度； y 表示管道地埋深度； α 表示地層材料的導(dǎo)溫系數(shù)； τ 表示計算時間，以7月份為計算原點； 表示溫度波的波動頻率，值為0.000717rad/h_?

通過管段溫降方程描述管道與周圍地面之間的熱損失（或熱增益）。管段的溫降方程為

式中： T_end 表示管段末端的溫度； T_start 表示管段始端的溫度； λ 表示管段單位長度的總傳熱系數(shù)；L 表示管段長度。

1.1.5水泵模型

水泵作為綜合能源網(wǎng)絡(luò)的動力裝置，為介質(zhì)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的循環(huán)提供動力。水泵的電力消耗為

式中： P_P 表示水泵的電力消耗； m_p 表示流過水泵的質(zhì)量流率； H_P 表示水泵的泵送水頭； η_p 表示水泵的效率； g 表示重力加速度。

1.2 新型電-熱綜合能源準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型的構(gòu)建

為了更好地理解擾動在新型電-熱綜合能源系統(tǒng)中的傳遞過程，本文在穩(wěn)態(tài)模型之外增加了熱負荷模型、熱交換器模型，并根據(jù)多時間尺度特征劃分了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段。

1.2.1建筑熱負荷及熱交換器計算模型

建筑熱負荷的計算模型如下[15]：

Q_b=q_νV_b（T_n-T_a）

式中： Q_b 表示建筑熱負荷； q_ν 表示建筑的容積熱指數(shù)； V_b 表示建筑的有效體積； T_n 表示建筑的室內(nèi)溫度； T_a 表示環(huán)境溫度。

供暖狀態(tài)下，熱交換器將熱泵冷凝器釋放出的熱量傳遞到建筑物中，其計算模型如下：

式中： Q_r 表示熱交換器的換熱量； K 表示熱交換器傳熱系數(shù)； F 表示熱交換器總換熱面積； T_s ）T_o 表示熱交換器的進出口溫度。

當(dāng)系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，熱泵冷凝器釋放出的熱量、熱交換器的換熱量和建筑的熱負荷三者相等，即

Q_cond=Q_r=Q_b

本文只在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)中引入建筑熱模型和熱交換器模型。

1.2.2分階段準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型的構(gòu)建

IES是一個復(fù)雜系統(tǒng)，由多個具有不同傳輸速度和調(diào)節(jié)能力的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)組成，展現(xiàn)出多時間尺度的動態(tài)特征，如表1所示。

表1IES能量流的動態(tài)響應(yīng)速度和時間比較

鑒于異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)間的多時間尺度特性，當(dāng)IES遭受擾動或故障時，其恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)需要一段時間[1]。在此過程中，可能對 IES 的經(jīng)濟性和安全性產(chǎn)生影響。若采用穩(wěn)態(tài)分析方法研究IES，將無法精確模擬系統(tǒng)的瞬態(tài)過程和故障響應(yīng)；而動態(tài)模擬雖能滿足此要求，但其時間和計算需求較高，不利于擾動后狀態(tài)的快速評估。因此，根據(jù)多時間尺度特性，本文將穩(wěn)態(tài)過程劃分為4個準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段[13]，以實現(xiàn)對擾動所引發(fā)安全問題的快速高效評估。

如表2所示，階段1為綜合能源多能流仿真的穩(wěn)態(tài)階段。階段2為擾動后的首個階段，電網(wǎng)系統(tǒng)在數(shù)秒內(nèi)重新達到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。隨后，鑒于熱網(wǎng)及用戶變電站具有較大的熱慣性，水力工況相較于熱力工況先達到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。階段3中，熱網(wǎng)流質(zhì)已在網(wǎng)絡(luò)中完成循環(huán)，熱網(wǎng)、建筑變電站的熱力工況及熱交換器工況隨之發(fā)生變化。階段4為擾動后的最后一個階段，當(dāng)響應(yīng)時間達到一定程度，建筑物室內(nèi)溫度發(fā)生改變。至此，系統(tǒng)重新達到一個新的穩(wěn)態(tài)，表2中各階段所選模型構(gòu)成了新型電-熱綜合能源分階段準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型

2 新型電-熱綜合能源系統(tǒng)潮流求解

新型電-熱綜合能源系統(tǒng)不再局限于通過少量熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heating power，CHP）機組進行弱耦合[4]，而是在CHP 機組、輔助熱源、分布式水泵以及眾多的建筑變電站之間形成深度融合。本文采用牛頓-拉夫遜法中的分解法[17-19] 求解基于5GDHC系統(tǒng)的新型電-熱綜合能源網(wǎng)絡(luò)潮流，并提出求解框架，如圖3所示，對于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的潮流計算需引入階段準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)特征。圖中， ε 表示誤差精度。

3 案例分析

本文以北方寒冷地區(qū)某園區(qū)為研究對象，以該園區(qū)11月至次年3月供暖季中的每月典型日作為仿真時域。為了方便結(jié)果的展示和分析，將5個月中的典型日數(shù)據(jù)按照小時精度進行統(tǒng)一描述，各月份典型日對應(yīng)的時間詳見表3。鑒于相鄰月份典型日首尾時刻的負荷量相差較小，對數(shù)據(jù)結(jié)果在不同典型日的連接點采用連續(xù)性處理的方式。圖4展示了園區(qū)建筑在典型日的冷熱負荷和電負荷的逐小時需求。

3.1 系統(tǒng)描述

本文通過Matlab編程和Matpower進行聯(lián)合仿真，以5GDHC系統(tǒng)為基礎(chǔ)搭建的電-熱綜合能源網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖5所示，包含12節(jié)點配電網(wǎng)和26節(jié)點供熱網(wǎng)。

電力系統(tǒng)裝配 185mm² 電纜，阻抗為 0.164+ （20號 j0.080Ω/km ，負荷的功率因數(shù)為0.95，母線E7連接發(fā)電機，母線E4、E6、E10和E12連接熱網(wǎng)以外電負荷，熱網(wǎng)中的建筑變電站、水泵以及電鍋爐集總成6個模塊，分別連接到電力系統(tǒng)母線E2、E3、E5、E8、E9以及E11上，配電網(wǎng)基準(zhǔn)容量為1MV·A，基準(zhǔn)電壓為 11kV 。熱力系統(tǒng)中，由低溫?zé)嵩?、電鍋爐組成的熱平衡單元，以及CHP機組作為網(wǎng)絡(luò)熱源為5GDHC系統(tǒng)供熱。變電站內(nèi)用戶側(cè)供熱溫度為 60^°C ，供冷溫度為 10% ，熱泵的進出口設(shè)計溫差為 5^°C ，在供暖需求為主的供暖季保持暖管出水溫度為恒定的 25^°C ，建筑物室內(nèi)溫度設(shè)定為 20^°C O

案例所涉及的設(shè)備和土壤環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)如表4所示。

3.2 電功率分布結(jié)果

綜合能源園區(qū)供暖季典型日的電功率平衡圖如圖6所示。其中，電鍋爐作為5GDHC系統(tǒng)的輔助熱源，只有在暖管溫度低于設(shè)定值時才會啟動并消耗電力。由于5GDHC系統(tǒng)冷熱管道的低溫特性使得全時域內(nèi)機組的 H_cop 變化并不明顯，建筑變電站的電負荷隨時間變化的趨勢與圖7中建筑的原始熱負荷趨勢一致。由圖可以看出，園區(qū)的發(fā)電功率略大于耗電功率，這是由配電網(wǎng)的損耗引起的。電網(wǎng)損耗為 21.6MW ，占該園區(qū)發(fā)電功率的 3.7% ，峰值損耗發(fā)生在 17h 處，為 0.325MW 。

3.3 冷熱功率互補結(jié)果

圖7展示了園區(qū)供暖季典型日的建筑原始熱負荷 、熱泵滿足原始熱負荷所需提供的熱功率，即變電站熱負荷 ，以及冷熱互補后冷暖管網(wǎng)所需提供的熱功率，即網(wǎng)絡(luò)熱負荷 。

由建筑熱負荷曲線到變電站熱負荷曲線，總熱負荷減小為 179.9MW ，這是由于熱泵蒸發(fā)側(cè)的供熱量小于冷凝側(cè)的放熱量，減少量為熱泵所消耗的電功率。由建筑熱負荷曲線到網(wǎng)絡(luò)熱負荷曲線，總熱負荷進一步降低至 166.4MW 。這是由于熱力產(chǎn)銷者內(nèi)部制冷設(shè)備所產(chǎn)生的余熱被變電站內(nèi)或其他變電站內(nèi)熱泵吸收利用，其所圍成面積體現(xiàn)為冷熱互補功率，為 13.5MW 。本案例中熱力產(chǎn)銷者建筑對應(yīng)為圖5中編號為3、16和19的建筑。

冷暖管網(wǎng)作為建筑變電站的熱源，其網(wǎng)絡(luò)熱負荷主要由低溫?zé)嵩?、電鍋爐組成的熱平衡單元以及熱電聯(lián)產(chǎn)機組來滿足，如圖8所示。由于網(wǎng)絡(luò)在傳輸熱量時存在損耗，可以看出，熱源的累加出力略高于網(wǎng)絡(luò)熱負荷，但并不顯著，這是由于管網(wǎng)溫度接近環(huán)境溫度，熱損耗相對于傳統(tǒng)的絕緣管道更小。時域內(nèi)總熱損耗為 2.3MW ，占冷熱管網(wǎng)所攜帶熱量的 1.3% ，環(huán)境溫度在2月份典型日達到最低，因此，損耗大多發(fā)生在該時間段內(nèi)，時間 90h 處產(chǎn)生的熱損耗為時域內(nèi)峰值。

3.4 質(zhì)量流率溫度變化結(jié)果

在供暖季，園區(qū)內(nèi)的質(zhì)量流率隨時間發(fā)生變化，具體趨勢如圖9（a）所示。在5GDHC系統(tǒng)中，由于冷熱管道的溫度差保持恒定，質(zhì)量流率的變化趨勢與網(wǎng)絡(luò)熱負荷的變化趨勢保持一致。在仿真時域內(nèi)，水力交匯點的位置變化如圖9（b）所示。值得注意的是，熱網(wǎng)的水力交匯點3、4、5并非連續(xù)出現(xiàn)，而是在熱力產(chǎn)銷者的余熱功率達到一定程度時，熱量通過冷熱管道轉(zhuǎn)移而形成的，并且會在分布式變電站之間形成雙向熱力流。圖中，70、115、 119h 處的水力特性最為復(fù)雜，說明此時網(wǎng)絡(luò)中具有熱源屬性的熱力產(chǎn)銷者較多。圖9（c）展示了這3個時間點熱網(wǎng)節(jié)點的質(zhì)量流率分布情況，可以看出，節(jié)點3到節(jié)點4、節(jié)點11到節(jié)點10，以及節(jié)點14到節(jié)點15在水流流向沒有改變的情況下，質(zhì)量流率反而變多了，說明介質(zhì)流經(jīng)具有熱源屬性的熱力產(chǎn)銷者時，余熱功率以質(zhì)量流率的形式傳遞到網(wǎng)絡(luò)中。此外，當(dāng)熱源和熱力產(chǎn)銷者數(shù)量增加時，水力特性的復(fù)雜度也會隨之增加，進一步加劇了熱網(wǎng)的運行和管理難度。

根據(jù)圖10（a）所示的低溫?zé)嵩闯隹跍囟纫约皥D10（b）中電鍋爐的啟停狀態(tài)（1代表啟動，0代表關(guān)閉），當(dāng)?shù)蜏責(zé)嵩闯隹跍囟鹊陀谠O(shè)定值時，電鍋爐會進行輔助加熱。11月和3月，電鍋爐呈間歇性運行，12月至次年2月為供暖高峰期，電鍋爐基本保持運行狀態(tài)。在此過程中，熱平衡單元的回水溫度在接近 20^°C 處略有波動，這是由管網(wǎng)分布熱損失導(dǎo)致的溫降，最大溫降發(fā)生在 120h ，為5.62^°C 。然而，這一時間點與最大熱損失產(chǎn)生的時間點并不一致，這主要是因為此時質(zhì)量流率較小。

4準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分析

在綜合能源仿真的基礎(chǔ)上，通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型探究某一時刻發(fā)生擾動時5GDHC系統(tǒng)以及配電網(wǎng)之間的交互機制。需要注意的是，新型電-熱綜合能源系統(tǒng)中，電負荷節(jié)點區(qū)別于耦合負荷節(jié)點，耦合負荷節(jié)點是指向外供電的同時耦合電熱網(wǎng)絡(luò)的電負荷節(jié)點，本質(zhì)上是耦合節(jié)點，案例中節(jié)點E2、E3、E5、E8、E9以及E11為耦合負荷節(jié)點。本文基于電負荷E10開斷進行準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分析，該分析同樣適用于電負荷節(jié)點E4、E6以及E12。

當(dāng)電網(wǎng)節(jié)點E10開斷時，會導(dǎo)致電網(wǎng)損失0.32MW 的電負荷。

4.1 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

圖11展示了電負荷變化后，4個階段電網(wǎng)功率的變化情況，正值代表耗電負荷，負值代表發(fā)電功率。CHP機組（節(jié)點E1）作為電平衡節(jié)點平衡負載損失，階段2雖然損失了 0.32MW 的電負荷，但是CHP機組的發(fā)電功率只減少 0.19MW 。因為當(dāng)CHP機組的發(fā)電功率減少時，對應(yīng)的發(fā)熱功率減少，而熱平衡單元作為熱平衡節(jié)點，對應(yīng)的發(fā)熱功率增加，該側(cè)水泵和電鍋爐（集成在節(jié)點E8中）的耗電功率增加，所以電力系統(tǒng)的實際負荷損失小于 0.32MW 。階段3中，熱網(wǎng)節(jié)點溫度的改變影響了熱網(wǎng)水力工況的流量分布，并通過耦合元件進一步影響電網(wǎng)耗電功率和發(fā)電功率。該階段的擾動通過CHP機組、熱平衡單元以及變電站進行傳遞。階段4的耗電功率、發(fā)電功率并未發(fā)生變化，這是由5GDHC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特性決定的，將在后面分析中提及。

圖12呈現(xiàn)了電負荷變化后，4個階段熱網(wǎng)質(zhì)量流率的變化情況，負值表示流動方向與規(guī)定正方向相反。階段2在溫度不變的情況下，流過CHP機組的質(zhì)量流率減少，對應(yīng)熱平衡單元熱出力增加，質(zhì)量流率增加 5.7kg/s ，由此可見，變化幅度與冷暖管溫差密切相關(guān)。由圖可以看出，質(zhì)量流率變化幅度較大導(dǎo)致熱網(wǎng)節(jié)點16的介質(zhì)流向發(fā)生改變。如上所述，階段3質(zhì)量流率的變化是由熱網(wǎng)節(jié)點溫度的改變引起的，相比于階段3，階段4的質(zhì)量流率并未發(fā)生變化。

負荷變化引起的4個階段熱網(wǎng)節(jié)點溫度變化情況如圖13所示。階段2的熱網(wǎng)流動介質(zhì)由于慣性作用并未對熱網(wǎng)節(jié)點產(chǎn)生影響，熱網(wǎng)節(jié)點溫度與階段1相同。階段3中，建筑變電站的熱功率改變使得熱網(wǎng)節(jié)點溫度發(fā)生改變，但最大溫度變化僅為 0.054^°C 。同時，與節(jié)點溫度密切相關(guān)的熱泵 H_cop 隨之改變，導(dǎo)致連接變電站的電網(wǎng)節(jié)點電負荷呈現(xiàn)緩慢的變化，如圖11所示。另外，熱泵蒸發(fā)器側(cè)的質(zhì)量流率也會在階段3呈現(xiàn)微弱變化，如圖12所示。

節(jié)點溫度變化引起的擾動通過建筑變電站傳遞到電網(wǎng)中，因此，建筑內(nèi)熱交換器的換熱量不受變電站內(nèi)蒸發(fā)器側(cè)進出口溫度變化的影響，從而導(dǎo)致冷凝器釋放的熱量、熱交換器的換熱量保持相等且不會發(fā)生改變，這也是階段4的電網(wǎng)電功率、熱網(wǎng)質(zhì)量流率、熱網(wǎng)管道溫度以及建筑室內(nèi)溫度保持不變的原因，建筑物室內(nèi)溫度如圖14所示，保持在設(shè)定溫度 20% 。

電負荷開斷對電力系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響，直接體現(xiàn)在CHP機組的發(fā)電功率上，并通過CHP將擾動傳遞到熱力系統(tǒng)中，再次通過熱平衡單元以及建筑變電站的耗電功率影響電力系統(tǒng)；在階段2的水力工況中，熱力系統(tǒng)的質(zhì)量流率快速變化；在階段3的熱力工況中，溫度變化較為緩慢，這是因為建筑變電站作為耦合設(shè)備分布密集，其對電力系統(tǒng)的影響范圍較大，但受擾動的程度相對較輕；至階段4，室內(nèi)溫度并沒有受到擾動影響。

4.2 新型電-熱網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)電-熱網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程對比

5GDHC系統(tǒng)與集中供熱網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)拓撲、運行溫度、供能方式以及網(wǎng)絡(luò)組成等方面有所區(qū)別，因此，擾動過程也有所不同。通過以上分析總結(jié)新型電-熱耦合網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)電-熱耦合網(wǎng)絡(luò)在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程中的差異性，并與參考文獻[20]所做的工作進行對比。

階段2，熱網(wǎng)的水力工況都會發(fā)生較為顯著的變化，但5GDHC系統(tǒng)較小的設(shè)計溫差導(dǎo)致質(zhì)量流率變化更加顯著。文獻[20]中的集中供熱網(wǎng)絡(luò)，供回水溫差接近 50^°C ，在電負荷開斷引起CHP發(fā)電功率產(chǎn)生 0.36MW 變化的情況下，階段2的質(zhì)量流率變化量僅為 1.5kg/s ，遠小于本文 5.7kg/s 的變化量。若兩者保持CHP發(fā)電功率變化量以及特性參數(shù)相同，5GDHC系統(tǒng)中質(zhì)量流率變化能夠達到集中供熱網(wǎng)絡(luò)的10倍左右。

階段3，傳統(tǒng)的集中供熱網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點溫度的變化直接引起熱交換器換熱量的變化，從而改變熱網(wǎng)以及熱交換器的熱力工況。相比之下，5GDHC系統(tǒng)的節(jié)點溫度變化不會影響熱交換器換熱量，而是調(diào)整了建筑變電站內(nèi)供熱供冷機組的H_cop 。值得注意的是，大量分布的供熱供冷機組在增加網(wǎng)絡(luò)互動密度的同時，對網(wǎng)絡(luò)運行效率也提出了更高的要求。

階段4，對于集中供熱網(wǎng)絡(luò)，熱交換器換熱量的改變引起室內(nèi)溫度的變化。而在5GDHC系統(tǒng)中，建筑物室內(nèi)溫度保持不變，分布式建筑變電站降低了網(wǎng)絡(luò)擾動的深度，系統(tǒng)在階段3再次達到穩(wěn)態(tài)。

5結(jié)論

本文提出了基于5GDHC系統(tǒng)的新型電-熱雙向耦合綜合能源網(wǎng)絡(luò)模型，并根據(jù)多時間尺度，將電-熱網(wǎng)絡(luò)的互動行為劃分為4個階段，探究某時間點電網(wǎng)負荷開斷下，新型電-熱綜合能源網(wǎng)絡(luò)的互動機制，并針對12節(jié)點電力系統(tǒng)、26節(jié)點熱力系統(tǒng)的電一熱系統(tǒng)案例進行了分析，得到以下結(jié)論：a.不同于傳統(tǒng)電-熱綜合能源系統(tǒng)，新型電一熱綜合能源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的冷熱互補與低溫運行，時域內(nèi)冷熱互補功率可達 13.5MW ，且熱損耗僅占網(wǎng)絡(luò)供熱量的 1.3% 。此外，雙向水流增加了水力特性的復(fù)雜性，水力交匯點數(shù)量最多可以增至5個。

b.與傳統(tǒng)電-熱綜合能源系統(tǒng)相比，在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)4個階段中，階段2水力過程的變化更加劇烈，質(zhì)量流率波動達到了 5.7kg/s ，此時應(yīng)該更加注意系統(tǒng)的質(zhì)量流率監(jiān)測；而階段3熱力過程變化相對緩慢，節(jié)點溫度變化最大僅為 0.054^°C ，但溫度變化與網(wǎng)絡(luò)運行經(jīng)濟性密切相關(guān)，同樣不可忽視；階段4中建筑的室內(nèi)溫度并不會發(fā)生改變，網(wǎng)絡(luò)在階段3就已再次恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，擾動情況下，這種方式對于保障建筑末端供能穩(wěn)定性具有很大優(yōu)勢。

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（編輯：丁紅藝）