研究综述︱综合能源系统与能源互联网简述

1.3综合能源系统领域的一些热点问题

综合能源系统领域研究热点众多，难以一一讨论，本文仅就其传输环节的天然气与电力系统交互影响研究，转换环节的能源集线器模型研究，终端环节的微网和区域能源系统研究为代表进行简述。此外，已有综合能源系统的构架方案，多认同电网为核心能源传输及互联网络，而新奥集团提出的泛能网方案则强调天然气网络的主导地位，作为一种不同的思路，本节也一并予以回顾。

1)传输环节：天然气与电力系统交互影响

美国天然气发电量所占比重较大，且随着页岩气技术的突破，天然气在美国整个社会能源供应体系中的占比还会继续增加。因此很早就有学者关注天然气系统与电力系统之间的相互影响，如文献[35-39]深入分析了美国天然气系统与电力系统之间的交互影响，涉及天然气价格波动和管道故障对电力安全的影响[35]，考虑天然气管道运行约束的电力机组组合优化[36]，电力风险评估[37,38]，天然气和电力系统协同优化[39]等内容。

欧洲很多国家也存在天然气发电占比较大情况，因此相关问题也受到普遍关注。如英国EPSRC即将启动的SIES&D(图2)[29]，不仅关注天然气与电力系统之间的交互影响，还涉及电力与可再生能源系统、交通系统、集中供热系统之间的相互影响；EPSRC资助的Multi-VectorEnergy项目[24]，在讨论天然气网与电力网交互作用时，还考虑了负荷需求响应技术在终端配电和配气网络中的集成应用。

此外，英国学者还从运行成本角度分析了天然气与电力网的优化运行技术[40]，风电入网对英国天然气系统的影响[41]，天然气与电力系统的协同优化技术[42]等。除考虑了电力网接入可再生能源发电的波动性外，文献[43],[44]还考虑了电解气技术应用以及天然气系统接入不同分布式气源等因素的影响。

尽管我国天然气在整个社会能源环节的占比较小，但随着我国环保及节能减排压力的不断增加，未来天然气用量会不断增加，因此一些学者已在关注未来我国电力与天然气系统的相互影响[45-48]。

图3改进能源集线器模型

2)转换(和存储)环节：能源集线器模型

能源集线器模型最早由瑞士苏黎世联邦理工学院的研究团队提出[49,50]，由描述能源转换及存储环节的能源集线器(EnergyHub)和描述能源传输环节的能源连接器(EnergyInterconnector)两部分组成。该模型是综合能源系统通用建模的一次有益尝试，并已被广泛应用于各类综合能源系统相关研究，如综合能源系统的规划[51]、分布式能源系统管理[52]、需求侧响应控制[53]、区域能源系统运行调度[54]等。但该模型仅反映了能源在传输和转换环节的静态关系，而无法描述综合能源系统内复杂多样的动态行为。

目前，已有学者尝试构建改进的能源集线器模型，以描述系统的各类动态行为，如图3所示[3,55]，它考虑了能源转换、存储、传输及控制环节的动态，具体改进工作主要包括两部分：

(1)动态能源集线器：

①增加传递环节以反映不同能源变换过程中的动态特性，即图3a中的EE(×)、NE(×)、DT(×)等。其中，EE(×)反映了电-电之间传递关系，如马达和电加热器将会具有不同EE(×)表达形式；NE(×)则反映了天然气-电力之间的变换关系，同样采用微型燃气轮机和采用燃料电池，也会具有不同的NE(×)表达式。其他的，DT(×)反映了供热-供热、NT(×)反映了燃气-供热、WT(×)反映了生物质-供热、ES(×)反映了储(电)能、TO(×)反映了热力损耗和储热、TC(×)反映了供热-供冷之间的动态关系；

②加反馈控制环节来反映终端用户对能源供应端的动态影响，即图3a中的FBC(×)部分，如用户可利用负荷需求侧响应技术，通过对储冷/热的优化调度，实现在电力高峰期少用电，而在电力过剩期间多用电，一方面为电力公司提供削峰填谷服务，同时也降低自身的用电/用能成本。这一过程，实际上是用户通过反馈控制与供电/供冷/供热环节协调优化实现的。