基于電力和燃氣互補控制的綜合能源系統(tǒng)控制方法研究

史 偉，陸懷谷，周 珊，呂志鵬，余 濤，史 超，劉文龍，劉 夢

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213004；2.國網(wǎng)上海能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，上海 201210）

0 引言

在能源危機和環(huán)境惡化的雙重壓力下，全球大力發(fā)展可再生能源、多能源系統(tǒng)互聯(lián)和能源市場建設，使用戶側(cè)資源參與市場交易的意愿更強，以電能為主的綜合能源交易迅速發(fā)展，從傳統(tǒng)能源服務到綜合能源服務的轉(zhuǎn)型成為能源企業(yè)關注的焦點。

綜合能源系統(tǒng)由電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)耦合與互聯(lián)構(gòu)成，以電力系統(tǒng)為核心，與熱力、燃氣系統(tǒng)高度耦合。可以充分利用多種類型能源（風、光、天然氣等）的時空耦合特性（能源耦合緊密）和互補替代性（互補互濟，多能互補轉(zhuǎn)換），通過對電、氣、冷、熱等多種能量進行多維度的轉(zhuǎn)換、分配與有機協(xié)調(diào)管理，達到各類能源綜合利用、供需互動、高效運行。目前普遍認為綜合能源系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的物理載體，因此綜合能源系統(tǒng)已成為國際上能源領域未來重要的戰(zhàn)略方向。

在相關研究中，文獻[1-3]基于情景樹結(jié)構(gòu)建立隨機經(jīng)濟模型預測控制，基于柔性負荷響應構(gòu)建多時間尺度綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)綜合柔性負荷、熱電聯(lián)產(chǎn)機組和風電的協(xié)調(diào)優(yōu)化，降低優(yōu)化過程中風電隨機性的干擾；文獻[4-5]基于電熱混合儲能系統(tǒng)研究，實現(xiàn)多能源微電網(wǎng)自主控制能力的提升；文獻[6-7]針對考慮電-熱耦合特性的能源局域網(wǎng)進行分層分布式的協(xié)同優(yōu)化控制，實現(xiàn)多能源協(xié)調(diào)互補和深度融合；文獻[8-9]基于熱慣性不確定性的多能源系統(tǒng)魯棒優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化；文獻[9-11]根據(jù)能源設備效率隨負載率變化的特征，建立用能設備動態(tài)能效模型，實現(xiàn)各類型能源間的經(jīng)濟協(xié)同優(yōu)化和梯級利用；文獻[12-13]建立考慮電熱聯(lián)合需求響應的綜合能源系統(tǒng)日前和日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度模型，解決區(qū)域綜合能源系統(tǒng)多目標雙層優(yōu)化調(diào)度問題；文獻[14-17]搭建了包括電-氣-冷-熱-蒸汽網(wǎng)絡模型庫的綜合能源在線仿真系統(tǒng)，并通過多能流綜合能量管理系統(tǒng)，實現(xiàn)多能互補和源網(wǎng)荷儲協(xié)同條件下的優(yōu)化調(diào)度和安全運行，基于熱力子系統(tǒng)的熱慣性和多能互濟進行綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟性、可靠性評估。

1 分布式綜合能源系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

分布式綜合能源系統(tǒng)是一種靠近用戶側(cè)的微型綜合能源互聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)關注分布式能源終端及其耦合關聯(lián)，通過多種能源轉(zhuǎn)換、存儲、互補、替代的能量協(xié)調(diào)優(yōu)化運行，實現(xiàn)當?shù)刭Y源的高效利用。

分布式綜合能源系統(tǒng)的拓撲靈活、潮流可控，其能量優(yōu)化管理對能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有重要意義。但目前的分布式綜合能源系統(tǒng)耦合性和集成度較低，且對用戶側(cè)冷、熱、電需求變化的感知和反饋能力較差。由于供電、供氣、供冷/熱的綜合能源系統(tǒng)，其各類負荷需求存在明顯峰谷交錯現(xiàn)象，如果各供能系統(tǒng)只按各自高峰負荷設計，會造成設備利用率低下并加大供能系統(tǒng)維護費用，因此可通過不同能源系統(tǒng)之間的有機協(xié)調(diào)與密切配合，實現(xiàn)各類能源負載的移峰填谷，提高能源供應系統(tǒng)設備的整體利用率水平。

本文研究的分布式綜合能源系統(tǒng)的能源供應設備主要包括：光伏及電儲能設備、微燃機及余熱回收系統(tǒng)、空氣源/地源熱泵與中央空調(diào)系統(tǒng)、電熱鍋爐等電加熱設備。上述分布式綜合能源系統(tǒng)同時連接電網(wǎng)，進行電能、冷/熱能的存儲，為用戶提供電能、空調(diào)冷/熱能、生活熱水等能源的供應。分布式綜合能源系統(tǒng)主要應用于微燃機及余熱回收系統(tǒng)，其提供的熱能對系統(tǒng)中已有的熱泵、電鍋爐設備產(chǎn)生的熱能具有互補替代作用。

1.2 系統(tǒng)模型及工作原理

典型的電氣、燃氣和熱力分布式綜合能源系統(tǒng)如圖1 所示。其中，電鍋爐、微燃機及余熱回收系統(tǒng)均存在慣量延時，下面對其模型進行詳細分析。

圖1 典型的電氣、燃氣和熱力綜合能源系統(tǒng)交互示意圖

電熱鍋爐的熱過程控制系統(tǒng)主要是由鍋爐與三相交流調(diào)壓模塊組成，調(diào)壓模塊通過改變電加熱絲兩端的電壓，從而向鍋爐內(nèi)的水傳遞能量。其能量的傳遞過程首先是電流與它所要調(diào)節(jié)的電壓的關系，近似可看作是比例關系；其次是電壓與功率的關系，兩者之間是非線性的關系；再次是鍋爐內(nèi)膽與鍋爐外層散熱的關系。電熱鍋爐的能量傳遞示意圖如圖2 所示。

圖2 電熱鍋爐能量傳遞示意圖

整個系統(tǒng)的能量，一部分被鍋爐內(nèi)膽吸收，提高了鍋爐內(nèi)膽的水溫，另一部分被鍋爐內(nèi)膽的外層所散發(fā)。設鍋爐所獲得的總能量是鍋爐內(nèi)膽所獲取能量與鍋爐外層散發(fā)能量的總和。根據(jù)能量守恒定律有：

式中：W 為鍋爐所獲得的總能量；W1為鍋爐內(nèi)膽所獲得的總能量；W2為鍋爐外層散發(fā)的能量。

由熱力學定理可知：

式中：C1為水的熱容量；T1為鍋爐內(nèi)膽水的溫度；k1為鍋爐內(nèi)膽的散熱系數(shù)。

對式（2）進行求拉氏變換并移相可得：

根據(jù)以上對電熱鍋爐內(nèi)膽模型的物理機理分析，可以得出如式（4）所示的電熱鍋爐內(nèi)膽的傳遞函數(shù)。由于傳熱過程是一個較為復雜的過程，存在較大的容積時延，因此在考慮電熱鍋爐內(nèi)膽的傳遞函數(shù)時，應該考慮純時滯過程。

電熱鍋爐內(nèi)膽的傳遞函數(shù)應該表示為：

由式（4）所示電熱鍋爐模型的傳遞函數(shù)可知，電熱鍋爐是一個大慣量一階慣性加延遲環(huán)節(jié)，其響應時間較長，延遲時間達到10 min 以上，其動態(tài)響應特性如圖3 所示。

圖3 電熱鍋爐系統(tǒng)單位階躍響應

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)由動力裝置、供熱裝置和制冷裝置組成，為用戶提供電、冷、熱等不同品類的能源供應，實現(xiàn)能源的梯級利用。天然氣在原動機中燃燒輸出電能，利用廢氣或廢水余熱回收供熱，利用吸收式/電制冷機制冷，并經(jīng)常配備蓄能設備為輔助設備。

本文以微燃機及余熱回收系統(tǒng)為例，微燃機控制直流母線電壓傳遞函數(shù)如圖4 所示。

圖4 微燃機能量傳遞示意圖

式中：Gmt（s）為微燃機閉環(huán)傳遞函數(shù)；為微燃機等效慣性環(huán)節(jié)；G4（s）為外環(huán)PI 環(huán)節(jié)；Giac（s）為微燃機電流內(nèi)環(huán)等效延遲環(huán)節(jié)；G5（s）為微燃機變換器增益，其中m 為調(diào)制比，通常取1。

進而得到微燃機閉環(huán)傳遞函數(shù)Gmt（s）為：

通過單位階躍信號模擬負載突變，可以得到微燃機動態(tài)響應特性如圖5 所示。微燃機響應延遲時間為10 s 左右。

圖5 微燃機單位階躍響應

圖6 為電力、燃氣、熱力典型綜合能源系統(tǒng)能量流動圖。該綜合能源系統(tǒng)連接電網(wǎng)，能夠提供交、直流的電能供應和生活熱水、空調(diào)冷/熱負荷供應。該系統(tǒng)包含光伏、微燃機等主要電能生產(chǎn)設備，包含熱泵、電輔熱、微燃機余熱回收系統(tǒng)等熱能生產(chǎn)設備，以及電池儲能、熱儲能等主要儲能設備。

根據(jù)圖6 所示系統(tǒng)中能量的流動關系，建立電母線、煙氣母線、熱母線、冷母線的功率平衡約束，具體如式（7）—（10）所示。

圖6 多能源要素分布式綜合能源系統(tǒng)能量流動圖

1）電母線功率平衡約束。

式中：Pgrid為電網(wǎng)側(cè)輸入功率；Pmt為微燃機發(fā)電功率；Ppv為光伏發(fā)電功率；Pwt為風機發(fā)電功率；LE為電負荷功率；PAC1為冰蓄冷主機的電功率；Php為熱泵的電功率；Peb為電鍋爐等電加熱設備的電功率；PES，C和PES，D分別為電儲能的充、放電功率；分別為制冷主機制冰、制冷時的電功率。

2）煙氣母線熱功率平衡約束。

式中：QCHP，smoke為熱電聯(lián)供機組回收的煙氣熱功率；QHRSG，smoke和QHX，smoke分別為余熱鍋爐回收裝置、煙氣換熱器吸收的煙氣的熱功率。

3）熱母線功率平衡約束。

4）冷母線功率平衡約束。

基于設備準穩(wěn)態(tài)模型建立的能量功率平衡約束條件，實現(xiàn)對綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部的能流轉(zhuǎn)換過程及供需平衡的描述。

1.3 電力和燃氣的慣量互補控制策略

本文所涉及的燃氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)均具備較大的慣性，具有快動態(tài)特性的電力系統(tǒng)與具有慢動態(tài)特性的燃氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)通過電熱耦合、氣電耦合、氣熱耦合實現(xiàn)緊密結(jié)合和互補替代。

在電力和燃氣的慣量互補工況下，當儲能電池SOC（荷電狀態(tài)）受直流側(cè)功率影響發(fā)生變化時，微燃機根據(jù)電池的SOC 波動調(diào)整其輸出功率，直至匹配直流側(cè)功率缺額，同時給儲能電池進行充電，使電池的SOC 維持恒定。電力和燃氣的慣量互補控制策略利用儲能電池小慣量特性，使儲能電池快速響應直流側(cè)功率突變的短時功率缺額，微燃機則根據(jù)電池SOC 緩慢調(diào)整其出力，直至完全匹配直流側(cè)功率缺額并維持電池SOC 恒定。

2 分布式綜合能源系統(tǒng)典型工作模式

2.1 分布式綜合能源系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

分布式綜合能源系統(tǒng)中單能流簡單組合、單獨控制的系統(tǒng)能源利用效率差，對于存在熱力和燃氣耦合系統(tǒng)調(diào)節(jié)不靈活，設備頻繁運行于非額定工作點，基于電力和燃氣慣量分析的分布式綜合能源控制方法，能夠充分發(fā)揮電能靈活樞紐、高速控制的性能，通過智慧物聯(lián)終端設備的分布式邊緣計算實現(xiàn)快速控制，有助于分布式綜合能源系統(tǒng)在控制時間尺度和精細化程度上的提高。

圖7 所示為一個多能源要素分布式綜合能源系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)。該分布式綜合能源系統(tǒng)總裝機容量135 kW，其中包括：120 kW 的電網(wǎng)供電，1臺有余熱回收系統(tǒng)的60 kW 微燃機，1 臺峰值功率為30 kW 的光伏陣列，30 kW、60 kWh 儲能電池組，60 kW 電熱鍋爐（包括11.5 kW 低溫冷暖機組和12.14 kW 熱水機的空氣源熱泵，1.5 t 的儲熱水箱）。系統(tǒng)中負載每小時最大用電量為150 kW。

圖7 多能源要素分布式綜合能源系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

圖中AC（交流）端口1 通過變比為10 kV/0.4 kV 的變壓器與分布式綜合能源系統(tǒng)相連，AC 端口2 與微燃機及余熱回收系統(tǒng)相連，AC 端口3與AC 電能負載相連，AC 端口4 與熱泵及電加熱設備相連。DC（直流）端口1 與儲能電池相連，DC 端口2 與光伏陣列相連，DC 端口3 與DC 電能負載相連。

2.2 分布式綜合能源系統(tǒng)控制方法

本文的分布式綜合能源系統(tǒng)采用基于電力和燃氣慣量分析的互補控制策略，該控制策略在分布式綜合能源系統(tǒng)整體控制策略的基礎上，通過對設備運行信息、各電氣量測及環(huán)境參數(shù)的實時采集、分析，形成可下發(fā)的控制指令并發(fā)送至終端設備及各執(zhí)行單元。利用電能系統(tǒng)小慣性快速、高效運行的特點，和燃氣能、熱能系統(tǒng)大慣性連續(xù)運行經(jīng)濟性的優(yōu)勢，快速滿足用戶側(cè)能源供應的需求，并實現(xiàn)以電補氣?；陔娏腿細鈶T量互補控制的分布式綜合能源系統(tǒng)控制流程如圖8 所示。

圖8 中，Pgrid為交流端口1 電網(wǎng)電能使用的功率，Pmt為交流端口2 微燃機的發(fā)電功率，ηmth為微燃機余熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生熱量的效率，Pac為交流端口3 交流電能負載的用電功率，Pdc為直流端口3 直流電能負載的用電功率。Pac為系統(tǒng)輸出的實時電負荷功率，因此LE=Pac+Pdc；Pph和Peh分別為交流端口4 熱泵、電加熱設備消耗電能的功率，ηph和ηeh分別為系統(tǒng)中熱泵、電加熱設備產(chǎn)生的熱的效率，Pb為直流端口1 儲能電池發(fā)出的功率，Ppv為直流端口2 光伏陣列發(fā)電功率，PHL為系統(tǒng)產(chǎn)生的實時熱負荷功率，因此PHL=ηmth·Pmt+ηph·Pph。LEf為系統(tǒng)供應電負荷的實時預測功率，Phwf為系統(tǒng)供應熱水負荷的實時預測功率，Phaf為系統(tǒng)供應空調(diào)熱負荷的實時預測功率，Phsf為系統(tǒng)儲熱的實時預測功率，LEf，Phwf，Phaf和Phsf分別為通過采集數(shù)據(jù)對日內(nèi)電負荷、生活熱水負荷、空調(diào)熱負荷、儲熱功率預測值進行校正后的實時功率預測值。

圖8 基于電力和燃氣慣量互補控制的分布式綜合能源系統(tǒng)控制流程

通過電力和燃氣的慣量互補控制策略，在響應階段前期利用電能迅速啟動電熱鍋爐等電加熱設備，快速響應電、熱負荷的需求，并在經(jīng)驗時間t 后啟動微燃機，按照一定功率分配比例進行電加熱設備和微燃機的控制，實現(xiàn)對系統(tǒng)電、熱負荷的補充。該控制方法利用電力系統(tǒng)小慣量特點，和微燃機、余熱回收系統(tǒng)大慣量的特點，優(yōu)先滿足用戶側(cè)電能、熱能供應，通過微燃機發(fā)電和余熱回收實現(xiàn)電能、熱能的高效互補供應。

若系統(tǒng)電負荷、熱負荷的實時需求大于光伏的輸出，小于光伏、儲能電池、電網(wǎng)當前狀態(tài)下的總輸出功率，可分以下幾種情況分析判斷：

1）系統(tǒng)中只有電負荷，且電負荷大于光伏輸出功率時，執(zhí)行電池放電相關指令。

2）當系統(tǒng)中同時有電負荷和熱負荷，且電負荷小于光伏輸出功率時，執(zhí)行啟動電加熱設備（包括熱泵、電輔熱設備）相關指令。

3）當系統(tǒng)中同時有電負荷和熱負荷，且電負荷大于光伏輸出功率，則執(zhí)行按照一定的時間間隔和功率分配比例，啟動儲能設備和電加熱或微燃機設備相關指令。

4）若系統(tǒng)電負荷、熱負荷的實時需求大于光伏、儲能電池、電網(wǎng)當前狀態(tài)下的總輸出功率，則同時啟動微燃機和儲能電池放電運行，其中，電池放電相關指令執(zhí)行，包括對電網(wǎng)負荷高峰時段的判斷，電網(wǎng)非負荷高峰優(yōu)先使用電網(wǎng)的電能，電網(wǎng)負荷高峰時段，根據(jù)儲能系統(tǒng)的電量情況執(zhí)行放電指令。

儲能設備、電加熱設備、微燃機設備的啟動，根據(jù)以下分析判斷：在電網(wǎng)負荷低谷時段，則只啟動電加熱設備，不啟動微燃機設備。在電網(wǎng)高峰時段，先啟動電加熱設備，延遲時間t 后啟動微燃機設備，且判斷系統(tǒng)的電、熱負荷需求功率大小，當電、熱負荷需求功率較大時，電加熱設備優(yōu)先利用儲能系統(tǒng)放電提供；當電、熱負荷需求功率較小時，電加熱設備優(yōu)先利用電網(wǎng)供電。微燃機啟動后，按照電加熱設備、微燃機設備功率分配比例λeh和λmt進行控制，其中λeh+λmt=1，兩設備的電、熱功率之和等于系統(tǒng)電、熱負荷需求，其中微燃機按照額定功率運行，逐漸減小電加熱設備的運行功率。

3 實驗結(jié)果

設計氣電分時價格工況和多元負荷波動等工況，進行基于電力和燃氣的慣量互補控制的分布式綜合能源系統(tǒng)仿真研究。

為驗證電力和燃氣的慣量互補控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink 平臺下搭建分布式綜合能源系統(tǒng)仿真模型，其仿真參數(shù)如表1 所示。由于仿真時間尺度較長，為方便驗證，適當減小微燃機慣量特性與電池容量。

表1 分布式綜合能源系統(tǒng)仿真參數(shù)

如圖9 所示，0 s 前綜合能源系統(tǒng)的電池處于充電工況，儲能電池SOC>60%，微燃機未工作；0 s 時電能負載突增，導致Ppv+Pmt_maxPlack，微燃機在提供直流側(cè)功率缺額Plack的同時給儲能電池充電直至其SOC 穩(wěn)定至60%。

圖9 電池充電切換電力和燃氣慣量互補工況波形

在以上運行工況中，儲能電池經(jīng)放電至SOC降到參考值以下，此時微燃機開始啟動，最終微燃機出力補償系統(tǒng)功率缺額與電池釋放的能量。在負載功率出現(xiàn)缺額時，系統(tǒng)直流母線電壓有小幅突升，系統(tǒng)整體可以保持穩(wěn)定運行。

如圖10 所示，在0-10 s，Ppv+Pmt_max>Pac+Pdc，且SOC≥30%，系統(tǒng)運行在電力和燃氣的慣量互補工況。

圖10 負荷突增波形

在電力和燃氣的慣量互補下，可將光伏出力的增減與電、熱負載耗電量的增減都以功率缺額Plack的變化進行體現(xiàn)。當出現(xiàn)功率缺額時，綜合能源系統(tǒng)根據(jù)分析確定系統(tǒng)內(nèi)微燃機、電加熱等設備的運行及功率分配，實現(xiàn)功率缺額的快速匹配分析和能源設備的精細化管控?；陔娏腿細獾膽T量互補控制系統(tǒng)整體可保持穩(wěn)定運行，并均具有較好的工作性能。

4 結(jié)語

本文研究的分布式綜合能源系統(tǒng)通過電、氣、熱等多種能源系統(tǒng)的耦合，充分利用電能靈活樞紐、高速控制的性能特點，快速滿足用戶側(cè)能源供應，并實現(xiàn)以電補氣，既能發(fā)揮燃氣、熱能等大慣性系統(tǒng)連續(xù)運行的經(jīng)濟性優(yōu)勢，又能利用電能小慣性系統(tǒng)快速、高效運行的優(yōu)勢，實現(xiàn)對用戶需求和電網(wǎng)狀態(tài)的快速響應，滿足分布式綜合能源系統(tǒng)精細、實時的控制需求。