面向廣義能量品質分析的多能耦合流集線器建模

王 丹，李宜哲，賈宏杰，周天爍，曹逸滔，張 帥，劉佳委

（1.智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津市 300072；2.天津市智慧能源與信息技術重點實驗室（天津大學），天津市 300072）

0 引言

綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）能夠實現(xiàn)多種能源形式的轉化與供給，是提高系統(tǒng)整體能效和促進可再生能源利用的有效途徑［1-2］。為了應對傳統(tǒng)多能利用方式和引入可再生能源所帶來的諸多挑戰(zhàn)，學者們開始關注諸如能量品級［3-4］、碳排放［5-7］和可再生能源不確定性［8-9］等關鍵問題。部分研究針對能量［10-11］、有效能［12-13］、能量無序性程度［14-16］和環(huán)境影響［17-19］等能量介質自身和附加的屬性，對IES 供能水平進行分析和評價，推動了IES 能量流［10］、?流［20］、熵增流［14］、碳排放流［19］等能源系統(tǒng)“流”建模理論的發(fā)展。為實現(xiàn)IES 在有效能（?）、無序性（熵）、環(huán)境影響（碳）等廣義能量品質視角下的能量供應，需要在量質協(xié)同多維評價體系下，對IES 系統(tǒng)形態(tài)、能量管理、調度運行等方面做出科學決策。

多能耦合環(huán)節(jié)決定著不同品質能量（本文簡稱“異質能”）的轉化與分配，充當著IES 能量數(shù)量和品質“調節(jié)者”的角色。由于各類“流”的傳播、轉化和分配特性存在一定差異，為了準確描述異質能的品質變化規(guī)律，需要采用廣義能量品質分析要素的建模理論。本文梳理了多能耦合環(huán)節(jié)能量流、?流、熵增流、碳排放流的建模方法，并總結了各類模型的區(qū)別與特點。

隨著IES 中多能耦合環(huán)節(jié)的數(shù)量和復雜性的增加，需要一種方法系統(tǒng)地描述異質能及其品質要素的多種“流”足跡。本文在統(tǒng)一精細化、抽象化的模型架構下，給出多能耦合環(huán)節(jié)“流”通用元件的定義，提出基于標準化矩陣框架的流集線器（flow hub，F(xiàn)H）模型，該模型可針對多種廣義能量品質分析要素進行建模與計算，根據關系矩陣判定參數(shù)對不可行條件進行合理化修正，從而保證FH 存在唯一運行狀態(tài)。最后，通過算例驗證了FH 的有效性及適用性，并展望了該模型的應用前景。

1 多能耦合環(huán)節(jié)多樣化建模理論

一個具有較高廣義能量品質的供能系統(tǒng)應具備高效、低耗、有序、低碳等特征，本文以“流”模型的流率數(shù)值對廣義能量品質進行衡量。IES 廣義能量品質的相關研究中，具有代表性的流模型主要包括：能量流、?流、熵增流、碳排放流。IES 多能耦合環(huán)節(jié)多樣化建模理論能夠在一定程度上涵蓋上述流理論的不同內涵與傳播機理，但存在精細化、抽象化不足等問題。

1.1 IES 典型流模型

IES 能量流模型是基于不同介質的傳播機理和能量屬性，考慮多能耦合因素而構建的統(tǒng)一量綱能源系統(tǒng)模型，可實現(xiàn)多能流的聯(lián)合求解［10，22］，是IES規(guī)劃、運行優(yōu)化和安全性等課題的理論依據［11］。

IES ?流模型將能量流中能夠有效轉化為功的部分被定義為IES ?流［23］，量化分析?的傳播、轉化和分配情況，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的量質協(xié)同分析［24］，能夠刻畫IES 的有效能層面的整體或局部廣義能量品質［25］，對于實現(xiàn)高?轉型、增效提質具有重要意義。

IES 熵增流模型采用“熵增”這一概念描述?損和源荷不確定性導致的能量無序性增長，反映系統(tǒng)各環(huán)節(jié)能量品質退化情況［26］。深度分析IES 熵增機理與熵態(tài)分布，研究供能造成的品質流失，可為進一步提升IES 無序性層面的廣義能量品質提供理論依據［14］。

IES 碳排放流模型通過量化分析能源網絡中能量生產、傳輸、轉換和利用等各環(huán)節(jié)對應的碳排放量［27］，從而準確描述系統(tǒng)供能的碳排放水平［19］，刻畫IES 環(huán)境影響層面的廣義能量品質，有助于科學衡量各方的碳排放責任，促進IES 合理低碳轉型。

1.2 多能耦合環(huán)節(jié)典型流模型

1.2.1 多能耦合環(huán)節(jié)典型流模型的研究意義

上述IES 流模型中，均采用了某種網絡流描述能量介質的某種屬性，以流的分布和數(shù)值情況刻畫系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的“量”與“質”。各類流在網絡中的傳播機理不同，形成了各具特色的流機理模型和相應的求解方法，從而使多能耦合環(huán)節(jié)的多流計算變得豐富且復雜。

為了系統(tǒng)分析典型流的特性，根據其與介質流的數(shù)量關系，可將能量流、?流、熵增流、碳排放流劃分為兩大類：物理流與虛擬流。當確定了能量傳輸介質的數(shù)量和狀態(tài)時，便可確定介質中的能量和有效能的對應關系，能量流和?流反映的是介質實體對應能量和有效能在系統(tǒng)中的分布，因此，二者屬于物理流；碳排放流與熵增流依附于物理流存在，反映物理流在傳播時空進程中對系統(tǒng)品質造成的影響，具有獨特的流動性質，因此，屬于虛擬流。

物理流與虛擬流比較重要的共性特征為：在能量品質不發(fā)生改變的分配環(huán)節(jié)，無論是物理流還是虛擬流，都均勻分散在介質流中。因此，各類流的分配比例與介質流是一致的。表1 展示了能量流、?流、熵增流、碳排放流的主要特征與共性。

表1 能量流、?流、熵增流、碳排放流的主要特征與共性Table 1 Main features and commonalities of energy flow, exergy flow, entropy increase flow,and carbon emission flow

相較于物理流，虛擬流會受到特殊因素的制約，例如可再生能源出力的觀測時空區(qū)間、機組碳排放特性等對熵增流、碳排放流會造成影響。

物理流和虛擬流伴隨著介質流，具有各自獨特的轉化和分配過程，多能耦合環(huán)節(jié)多樣化模型能夠較為精確地描述多種流的轉化與分配特性，下面以較為典型模型為例進行介紹。

1.2.2 多能耦合環(huán)節(jié)的能量流模型

基于標準化矩陣的多能耦合環(huán)節(jié)能量流模型如式（1）所示?；趫D論原理，可將多能耦合環(huán)節(jié)視為輸入與輸出端口組成的系統(tǒng)，通過輸入與輸出的能量流進行向量化處理。根據內部設備能量轉化效率形成耦合關系式矩陣，在關系式矩陣中引入調度因子可表達對內部能流的分布控制作用［28］。

式中：V和V分別為輸出和輸入能量流列向量；Ven為內部支路能量流列向量；Xen為能量輸入耦合矩陣；Yen為能量輸出耦合矩陣；Zen為能量轉換特征耦合矩陣，Zen中的主要構成元素為各設備能量轉換效率系數(shù)和調度因子。

1.2.3 多能耦合環(huán)節(jié)的?流模型

多能耦合環(huán)節(jié)?流模型能夠量化各轉化環(huán)節(jié)的有效能傳播和損失，可根據?效率系數(shù)進行運算。能質系數(shù)（energy quality coefficient，EQC）可以描述能量介質中的能量與?的數(shù)量關系，如式（2）所示［13］。

式中：eex為能量介質的?；Pex為能量介質包含的能量；λex為該能量介質的EQC。

以某能量轉化設備為例，該設備將能量介質a中的能量轉化為介質b中的能量，設該過程的能量轉化效率系數(shù)為η，介質a與介質b對應的EQC、?、能量分別為λ和λ、e和、P和P，則該轉化環(huán)節(jié)?效率系數(shù)η-b的計算方法為：

根據上述?效率系數(shù)轉化方法，替換基于標準化矩陣的能量流模型中的對應參數(shù)，形成標準化矩陣的?流模型，如式（4）所示［29］。

式中：eex為內部支路?流列向量；Xex和Yex分別為?流輸入和輸出耦合矩陣；eexin和eexout分別為標準化的輸入和輸出矩陣；Zex為?轉換特征耦合矩陣，Zex中的主要構成元素為各設備?效率系數(shù)和調度因子。

1.2.4 多能耦合環(huán)節(jié)的熵增流模型

多能耦合環(huán)節(jié)熵增流模型將多能耦合環(huán)節(jié)內部所有設備產生的熵增合并為一個等效熵增源，輸入熵增流經輸入節(jié)點注入，經等效熵增源產生增量疊加后，由輸出節(jié)點流向負荷側，輸出的熵增流在輸出節(jié)點處滿足節(jié)點?流分配率［14］。

該模型在網絡中體現(xiàn)為兩個等效節(jié)點和節(jié)點間的支路，對網絡中其他部分的影響表現(xiàn)為一個廣義的“大節(jié)點”，也被稱為大節(jié)點熵態(tài)模型［14］。大節(jié)點熵態(tài)模型高度抽象化內部結構，但計及了內部設備熵增疊加和熵增流分配特性，簡化了建模的復雜度。大節(jié)點熵態(tài)模型示意圖如圖1 所示。能源站包括熱電聯(lián)產(combined heat and power,CHP)機組、電鍋爐（electric boiler，EB）、燃氣鍋爐（gas boiler，GB）和變壓器。

圖1 大節(jié)點熵態(tài)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of big node entropy state model

在輸出節(jié)點處的熵增流遵循節(jié)點?流分配率，即輸出支路o中的熵增流ΔSf，o與節(jié)點輸出熵增流總和∑ΔSout之比等于支路?流eo與節(jié)點?流總和∑eout之比，如式（5）所示［14］。

等效熵增源ΔShub包含兩部分：能量轉化設備產生的傳統(tǒng)熱力學熵增ΔShub，th和可再生能源設備處理不確定性產生的信息學等效熱力學熵增ΔShub，info。ΔShub計算方法如式（6）所示［14］。

式中：z為能量轉化設備編號；ψ為能量轉化設備z的集 合；Δez和ΔSth，z分 別 為 能 量 轉 化 設 備z產 生 的 ?損和傳統(tǒng)熱力學熵增；y為可再生能源設備編號；ξ為 可 再 生 能 源 設 備y的 集 合；py、fy和ΔSinfo，y分 別 為可再生能源設備y產生的信息勢、信息流和信息學等效熱力學熵增；Ta為環(huán)境溫度。

1.2.5 多能耦合環(huán)節(jié)的碳排放流模型

多能耦合環(huán)節(jié)碳排放流模型將多能耦合環(huán)節(jié)視為特殊負荷，碳排放責任由能量轉化設備的能量損耗對應的碳排放量衡量。同時，多輸出的轉化設備會對碳排放流進行分配，精細化計算內部能量損耗以及輸出能量的碳排放強度，有助于科學量化能量供應者和使用者的碳排放責任［19］。能量轉化設備的碳排放流轉化規(guī)律遵循碳勢比例分攤原則［30］，根據碳勢轉化系數(shù)λc與能量轉化系數(shù)ηen可計算碳排放流轉化系數(shù)ηc。以某能量轉化設備為例，該設備將能量介質a中的能量轉化為介質b和介質c中的能量，兩個轉化過程的能量轉化效率系數(shù)分別為ηb和ηc，則介質a至b轉化過程的碳排放流轉化系數(shù)ηb為：

基于ηc可構建矩陣化輸入、輸出碳排放流關系式，即碳排放流模型，如式（8）所示［31］。

式中：Pin和Pout分別為輸入、輸出能量流對角矩陣；Ein和Eout分別為輸入、輸出碳勢對角矩陣；R為碳排放流耦合矩陣，R中的主要構成元素為各設備碳排放流轉化系數(shù)。

1.2.6 多能耦合環(huán)節(jié)多樣化建模的弊端

多能耦合環(huán)節(jié)能量流、?流、熵增流、碳排放流模型具有各具特色的模型結構，但存在以下弊端：

1）內部環(huán)節(jié)的抽象化程度存在差異，導致描述內部多流分布特征的精細化程度不統(tǒng)一，求解精度也難以統(tǒng)一；

2）模型架構差別較大，數(shù)學上的變量形式、種類、數(shù)量不同；

3）多種流在具體設備處的轉化和分配特性存在差異。

從上述分析可以看出，各自為營的多樣化建模方法難以統(tǒng)一標準評估多能耦合環(huán)節(jié)對系統(tǒng)廣義能量品質的影響情況。多種流均依托介質流進行傳播，需要挖掘流的傳播規(guī)律，形成通用模型以減少冗余建模過程。本文在統(tǒng)一精細化、抽象化的模型架構下，提出基于標準化框架的FH，針對多種廣義能量品質分析要素進行建模與計算。

2 流集線器建模

多流統(tǒng)一建模的整體思路是將多能耦合環(huán)節(jié)物理結構與圖論概念相結合，在統(tǒng)一拓撲結構下描述能量轉換設備、內部互聯(lián)結構和內部支路流的關系，以及設備與節(jié)點對多種流的分配作用?？紤]到不同的流在轉化環(huán)節(jié)遵循各自的規(guī)律，本文提出了廣義源阻的概念，以統(tǒng)一表達式描述能量轉化設備的多流轉化與分配特性。

2.1 流集線器方程

構建輸入流與輸出流之間的關系式，稱為流集線器方程，如式（9）所示。附錄A 詳述其具體構建方法。

式 中：XU為設備-支路關聯(lián)矩陣；XI和XO分別為輸入和輸出端口-支路關聯(lián)矩陣；XN為聯(lián)絡節(jié)點-支路關聯(lián)矩陣；VB為內部支路流列向量；VU為廣義源阻列向量；VI和VO分別為輸入和輸出流列向量；VN為聯(lián)絡節(jié)點注入流列向量。

通過矩陣變換可得流集線器方程的計算式（10）與式（11），推導過程詳見附錄B。

式中：I為單位矩陣；Qin、Pin、Rin、Qout、Pout、Rout均為計算中間量，如附錄B 式（B3）—式（B5）和式（B9）—式（B11）所示。

2.2 可解性判定及合理化修正

形成式（10）與式（11）的前提條件為Qin或Qout可逆，二者蘊含著拓撲關系、能源設備流轉化特征及調度信息等約束條件。附錄C 探討了多能耦合環(huán)節(jié)約束條件與方程的可解性的關系，以及借助方程可解性判定等式（12）與式（13）獲悉方程可解性的方法。已知ES 輸入流時，應采用式(10)求解內部支路流和輸出流，并根據式(12)判定模型是否可解；對于已知輸出流求解輸入流的情況，即采用式(11)時，需根據式(13)判定模型是否可解。本文簡稱為“判定等式”，其中的參數(shù)稱為“判定參數(shù)”。

式中：nN，eqn和nU，eqn分別為XN和XU的行數(shù)；nN，in為注入節(jié)點的支路數(shù)；nN，out為流出節(jié)點的支路數(shù)；nU，in為注入廣義源阻的支路數(shù)；nU，out為流出廣義源阻的支路數(shù)。

當判定參數(shù)不滿足判定等式時，將導致流集線器方程不存在唯一解，盡管可通過最小二乘等方法獲取最優(yōu)近似值［32］，但是出現(xiàn)該現(xiàn)象的本質為系統(tǒng)存在不符合實際或違背可行性的設想條件，應當首先合理化修正條件集，使方程具有唯一解。

引入更多的約束條件或適度放寬工程設計靈活度，增加或減少子方程，從而改變XU與XN的維數(shù)，判定參數(shù)隨之而變。當判定等式得以滿足，流集線器方程便具有唯一解。例如，對于某聯(lián)絡節(jié)點，決策者考慮設置以下兩種約束條件：1）精確配置該節(jié)點各輸出端口分配系數(shù)；2）賦予該節(jié)點一定的靈活度，無須按指定比例分配輸出流。這兩種約束條件對應的方程數(shù)是不同的，即XN的行數(shù)不同，導致兩種條件集的判定參數(shù)nN，eqn不同，可在校驗模型的過程中酌情加以調整，使方程存在唯一解。

3 算例分析

3.1 算例介紹

本文以3 種多能耦合環(huán)節(jié)作為研究對象，求解能量流、?流、熵增流、碳排放流的分布和流動情況，用以驗證FH 的正確性和有效性，探討當約束條件過多和過少時，合理化修正條件集的方法。

算例1 的多能耦合環(huán)節(jié)結構如圖2 所示。其中，能量轉化設備包括變壓器、CHP 機組、GB 和EB。輸入天然氣按一定比例分配至CHP 機組和GB，轉化為電能和熱能，GB 的熱能轉化效率為η=0.85。該CHP 機組可以在可變熱電比工況下運行，熱電比范圍為1.4～14.0。此時，整體能量效率為η=0.7［33］。假設輸入電能經由變壓器流向輸出側，其中一部分電能被分配至EB 轉化為熱能，與CHP 機組和GB 共同支持負荷的熱需求，變壓器的電能轉化效率為η=0.98，EB 的熱能轉化效率為η=0.95［34］。電能的EQC 為1.000 0，天然氣化學能的EQC 為0.701 3，熱能EQC 為0.185 3［13］?？梢钥闯觯捎谛枰治瞿芰苛?、?流、熵增流、碳排放流的不同場景，算例相關參數(shù)設置相比于傳統(tǒng)能量流分析更為復雜。

圖2 算例1 的多能耦合環(huán)節(jié)結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure of multi-energy coupled link in case 1

算例2 的多能耦合環(huán)節(jié)結構如圖3 所示，在算例1 的基礎上增設了一條支路承載輸入熱源，在CHP 機組和GB 的出口處匯合。算例3 的結構如圖4 所示。在算例1 的基礎上，不考慮電能輸入并去除了變壓器，僅考慮天然氣輸入。

圖3 算例2 的多能耦合環(huán)節(jié)結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of multi-energy coupled link in case 2

圖4 算例3 的多能耦合環(huán)節(jié)結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure of multi-energy coupled link in case 3

為了進行有效對比，3 個算例中的電力、熱力負荷能量需求均分別設置為2 554 kW 和4 782 kW，電、氣、熱輸入熵增流為3.000 0 kW/K，電輸入碳勢為500 tCO2/h，氣輸入碳勢為400 tCO2/h，熱輸入碳勢為300 tCO2/h。

3.2 算例分析：可解性判定

為了分析約束條件對可解性的影響，假定3 個算例的預設常規(guī)運行模式，稱為“條件集1”。

1）預設CHP 機組的熱電比為1.333，此時，電、熱轉化效率分別為η=0.3、η=0.4。

2）預設EB 電力分配系數(shù)為0.1；

3）預設CHP 機組與GB 天然氣分配系數(shù)均為0.5。

在構建FH 的方程之前，可根據條件集和多能耦合環(huán)節(jié)內部結構，統(tǒng)計判定參數(shù)，判斷是否存在不合理條件。在條件集1 下，本文設置的3 個算例中，算例1 的流集線器方程存在唯一解；算例2 存在亞定關系，還需補充約束條件；算例3 存在超定關系，需酌情放寬條件。具體判定過程如下。

圖5 至圖7 為3 個算例對應的FH 拓撲結構的示意圖，結合條件集1 的內容，可以在構建模型方程前直接統(tǒng)計各方程的判定參數(shù)。

圖5 算例1 的FH 模型結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of structure of FH model in case 1

圖6 算例2 的FH 模型結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of structure of FH model in case 2

圖7 算例3 的FH 模型結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of structure of FH model in case 3

以算例1 為例，統(tǒng)計判定參數(shù)，如表2 和表3 所示。節(jié)點與廣義源阻的輸入與輸出支路如圖5 所示，統(tǒng) 計 得 到nN，in=8、nN，out=7、nU，in=4、nU，out=5。對于條件集1 相關的判定參數(shù)，經分析可知nU，eqn=5、nN，eqn=7。

表3 算例1 的節(jié)點判定參數(shù)統(tǒng)計結果Table 3 Statistical results of judgment parameters of nodes in case 1

nU，eqn的統(tǒng)計范圍包括：

1）GB、EB、變壓器為單輸入、單輸出廣義源阻元件，在XU中各占據1 行，共3 行；

2）按照條件集1 要求，CHP 在定熱電比的工況下運行，電輸出與熱輸出分別對應0.3 和0.4 的能量效率，因此在XU中占2 行。

nN，eqn的統(tǒng)計范圍包括：

1）節(jié)點2、3、5 未被指定分配系數(shù)，XN僅描述廣義基爾霍夫電流定律，各占1 行，共3 行；

2）按照條件集1 要求，節(jié)點1 的兩個輸出端口均按比例系數(shù)為0.5 進行分配，因此在XN中占2 行；

3）節(jié)點4 的2 個輸出端口分別按0.9 和0.1 的比例系數(shù)進行分配，在XN中占2 行。

由于求解熵增流和碳排放流需優(yōu)先求解能量流和?流，且本文算例均設置為輸出能流已知，應當采用式（11）根據輸出能流計算輸入能流。此時，必須先行判斷Qout是否可逆，等價于判斷判定參數(shù)是否滿足式（13）。采用判定等式對3 個算例的合理性進行判斷，采用與算例1 相同方法，對算例2、算例3 能流方程對應的判定參數(shù)進行統(tǒng)計，如表4 所示。

表4 條件集1 下算例的能流和?流判定參數(shù)Table 4 Judgement parameters for energy flow and exergy flow in cases under condition set 1

可知在條件集1 下，有如下結論：

1）算例1 的判定參數(shù)滿足式（13），判定為正定關系，因此存在唯一解；

2）算例2 判定參數(shù)nN，in+nU，in大于nU，eqn+nN，eqn，判定為亞定關系，存在無窮多的解，可知條件集1 欠缺某約束條件；

3）算 例3 的 判 定 參 數(shù)nN，in+nU，in小 于nU，eqn+nN，eqn，判定為超定關系，可知條件集1 須減少某約束條件。

3.3 算例分析：合理化修正

算例2 合理化修正：需要對節(jié)點或設備的參數(shù)進行補充描述或引入約束，假設經支路15 注入的外部采購熱源不易管控，選取該支路作為補充固定流率約束條件的對象。

為算例2 制定條件集2。在條件集1 的基礎上，將支路15 的能流設為1 000 kW（?流為185.3 kW）。新的能流方程組將增加1 個子方程，XU維數(shù)由11 升至12，此時方程判定等式參數(shù)（nU，eqn+nN，eqn=13）滿足判定等式（12），方程存在唯一解。

算例3 合理化修正須減少約束，該算例可選擇的有：1）舍棄節(jié)點1 的輸出端口分配系數(shù)；2）舍棄節(jié)點2 的輸出端口分配系數(shù)；3）將CHP 調整為可變電熱比工況。舍棄上述約束之一均可使XU或XN維數(shù)下降（本文選擇舍棄約束條件1）。

為算例3 制定條件集3。在條件集1 的基礎上，不再指定節(jié)點1 天然氣輸出端口的分配系數(shù)。此時，算例3 流集線器方程的合理性判定參數(shù)nU，eqn+nN，eqn由10 降為9，滿足式（12）存在唯一解的條件。

3.4 算例分析：修正后求解與分析

首先，根據條件集1 和已知參數(shù)，可構建算例1的FH 能量流、?流方程組中的XU、XI、XO、XN，VU、VN為零向量。

本文算例已知輸出電、熱能量需求，可直接構成能量流方程的VO，同時，可根據式（2）計算輸出電、熱?，構成?流方程的VO。視VI為待求量，便可構建能流方程和?流方程。根據式（11）可計算輸出能流、?流列向量VI，根據附錄B 式（B7）可計算內部支路能流、?流列向量VB，從而獲得全部能流、?流分布。

其次，F(xiàn)H 的熵增流、碳排放流方程的已知量包含了能量流、?流方程的部分結果。根據?流模型可計算各廣義源阻傳統(tǒng)熱力學熵增ΔSth，進而構成熵增流方程的VU，若存在可再生能源設備的信息學等效熱力學熵增源，將其視為單端口的廣義源阻。根據給定的輸入端口碳勢，可由輸入能量流計算各輸入端口碳流列向量VI。視VO為待求量，便可構建FH 的熵增流方程和碳排放流方程。

條件集1 下的算例1、條件集2 下的算例2、條件集3 下的算例3 的FH 計算結果如表5 至表7 所示。在輸出能量需求完全一致的前提下，內部結構將對輸出能量的品質產生影響，內部4 種流的分布規(guī)律不同，各設備產生的能損、?損、熵增、碳損表現(xiàn)出不同分布特點，輸入能量形式也會影響輸出能量的品質。

表5 條件集1 下算例1 的FH 計算結果Table 5 Calculation results of FH in case 1 under condition set 1

表7 條件集3 下算例3 的FH 計算結果Table 7 Calculation results of FH in case 3 under condition set 3

FH 可計算多種流的分布情況，由于不同流的內涵各異、傳播規(guī)律也不盡相同，因此，它們的分布呈現(xiàn)出多樣化特征。即使運行狀態(tài)并未發(fā)生任何變化，只要在不同評價視角下觀測多能耦合環(huán)節(jié)對多種廣義能量品質分布情況，得到的結果具有多樣性，了解其分布規(guī)律具有一定的研究價值。例如：在有效能視角下，電能具有優(yōu)于天然氣的做功能力。因此，表5 中CHP 機組的電輸出（支路8）的?流大于熱輸出（支路9）的?流。CHP 機組由氣轉電的過程具有大量的有效能損失，CHP 機組的氣轉熱屬于能量的梯級利用，有效能損失較少，因此，CHP 機組電輸出的熵增流較少。

在輸出側能量需求不變的情況下，3 個算例向負荷側輸送的能量也具有不同的廣義能量品質。如表8 所示，輸出能量流、?流不變的情況下，算例3 的熱輸出熵增流與電輸出熵增流，不同于另外兩個算例，主要原因是算例3 對CHP 機組的利用最大，而CHP 機組產生的電能相比高比例可再生能源出力的電網具有更高的熵增流，而CHP 機組產生的熱能具有較低的熵增流，相比外部輸入熱能或EB 生產的熱能，CHP 機組產生的熱無序性層面上的廣義能量品質更高。

表8 合理化修正后算例的輸出流結果Table 8 Results of output flow of case after rationalization correction

多能耦合環(huán)節(jié)內部結構的差異使多流分布具有多樣性，辨識高損與高增環(huán)節(jié)對提升供能品質具有一定意義，表9 展示了算例中各設備的多流損耗與增量，可見在算例中給定負荷側能量需求的基礎上，算例1、2 中，CHP 機組均為最高能損、熵增、碳損設備，承擔了大部分負荷用能，GB 為最高?損和熵增設備，考慮到它也承擔了較大一部分的負荷用能，可視其為有效能層面品質較差的能量轉換設備；算例3 舍棄了電網提供的高品質電能，也未采用外部輸入熱能，因此該結構表現(xiàn)為三者中最高的能損、?損、熵增、碳損。

表9 合理化修正后設備的輸出流計算結果Table 9 Calculation results of output flow of equipment after rationalization correction

若需要進一步探究如何精細化調整多能耦合環(huán)節(jié)的廣義能量品質分布，可以選擇任意具有比例系數(shù)的節(jié)點、廣義源阻作為優(yōu)化對象，視其系數(shù)為優(yōu)化變量，采用輸出流、輸入流或內部多流損耗構建目標函數(shù)，進行管線規(guī)劃、設備選型和運行優(yōu)化。例如：本文算例中的CHP 機組可以視為運行可變熱電比的工況，輸入端對應的分配節(jié)點可以作為需求側響應的動作元件，根據上述方法可以對二者的系數(shù)進行最優(yōu)化求解。也可以針對內部管線拓撲進行優(yōu)化，過程中可根據判定參數(shù)，判斷可調節(jié)點、可控設備等約束條件是否存在不合理的配置情況。

本文限于篇幅，著重分析與介紹FH 與IES 廣義能量品質，日后將開展針對IES 供能品質提升的規(guī)劃與運行優(yōu)化的研究。

4 結語

本文梳理了多能耦合環(huán)節(jié)的能量流、?流、熵增流、碳排放流多樣性建模方法，分析各類方法的特點以及弊端，提出基于標準化矩陣架構的FH，以廣義源阻元件以統(tǒng)一結構描述能量轉化設備的多流轉化特性，并總結了多能耦合環(huán)節(jié)約束條件合理性的判定與修正方法。該模型能夠在一致的精細化和抽象化程度上，準確刻畫多能耦合環(huán)節(jié)內部、輸入、輸出的廣義能量品質情況，標準化求解多種流的分布。過程不涉及多次迭代，部分非變量在不同流的計算中是通用的，并且線性方程組等特征有利于模型的規(guī)?；瘧?。該模型可輔助IES 整體以及多能耦合環(huán)節(jié)的管線布局、選址定容、設備選型和運行優(yōu)化等決策分析，以滿足“雙碳”背景下對高品質IES 的新發(fā)展要求。

本文限于篇幅，僅對某一時間斷面的多能耦合環(huán)節(jié)穩(wěn)態(tài)流分布建模和分析，后續(xù)將以IES 能量品質提升為目標，圍繞流集線器多目標規(guī)劃與多時間尺度運行優(yōu)化開展研究。同時，本文假設能量轉換設備具有線性多流轉化與分配特性，后續(xù)將針對設備的動態(tài)響應特性和非線性參數(shù)，研究非線性廣義源阻機理模型，以及相應流集線器模型的高效求解方法。

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