多能源系统中能量枢纽的标准化建模

多能源系统是指冷、热、电、气等多种能源系统在能源生产、传输、使用等环节耦合而形成的一种新的能源系统观。多能源系统充分利用不同形式能源的互济与互补，提高系统经济性，提升系统灵活性，增加系统可靠性，挖掘系统互补性。目前对多能源系统的研究主要集中在优化规划和运行等方面。

电力系统计算机标准化建模是电力系统自动化的重要基础，同样地，多能源系统计算机标准化建模是未来多能源系统自动化的重要基础。能量枢纽是多能源系统的重要组成部分。本文提出了一种能量枢纽标准化建模方法，对能量枢纽元件、拓扑关系进行抽象，构建相应的矩阵，进而为多能源系统灵活性分析、优化运行和优化规划提供新的视角。

1  基于能量枢纽的多能源系统建模

能量枢纽是对多能源系统的抽象：认为多能源系统是一个多种形式能源输入V_in，多能能源输出V_out的双端口网络，中间的能量转换环节由耦合矩阵C表示：

V_in=CV_out

图1所示是一个由热电联产机组和吸收式制冷剂构成的冷热电三联供多能源系统。其能源输入和输出向量分别为：

图1   冷热电三联供多能源系统

其耦合矩阵为(主要有调度因子和能量转换效率构成)：

能量枢纽由两部分构成：①能量转换元件(如CHP机组);②元件的拓扑连接关系，如图2所示，本文试图利用图论中的一些基本概念，对能量枢纽中的元件和拓扑关系进行定义：

图2   基于图论的能量枢纽中基本要素的定义

2  若干关键矩阵定义

在支路、节点、端口等基本定义的基础上，我们可以进一步定义端口-支路关联矢量(矩阵)用以描述能量转换器件之间的拓扑链接关系：

端口-支路关联矢量M_g,k  (port-branch incidence vector)用来表示第g个节点的第k个端口与所有支路的连接关系，若支路连接到输入端口为1，连接到输出端口为-1，没有连接则为0。第g个节点所有端口的关联矢量构成端口-支路关联矩阵A_g：

还可以定义能量转换特性矩阵H_g(converter acteristic matrix)用以描述不同类型能量转换设备本身的转换特性，不同转换元件对应不同的矩阵，具体见全文。

进一步定义能量转换矩阵Z_g(Energy Conversion Matrices)用以描述某一能量转换设备的能量转换方程：

Z_g=H_gA_g

所有元件的能量转换矩阵Zg可以构成系统的能量转换矩阵Z：

从而可以推导出能量枢纽的能量转换方程(类似于电力系统中的KCL)：

Z_V=0

再定义输入关联矩阵X和输出关联矩阵Y用以描述能量枢纽输入输出对应的支路，进而得到最终的综合能量流方程：

以图1所示冷热电三联供系统为例，其综合能量流方程为：

对于综合能量流方程，可以进行高斯消元的到V_in和V_out的关系：

在高斯消元过程中需要对矩阵的秩进行分析，从而可以定义多能源系统的灵活性，具体的矩阵定义和相关推导参见原文。

3  面向综合需求响应和储能元件的拓展

综合需求响应是在需求侧的虚拟能量转换，可以等效为一个具有一定特性的能量转换元件：

图3   综合需求响应等效

储能出了充放能行为外，还包括state of ge(SOC)的变化，不满足能量转换方程(类似于电力系统中的KCL)，需要引入虚拟支路。

图4   含储能的多能源系统

4  算例分析

图5所示为一个有CHP机组，吸收式制冷机，储热，气热锅炉，电热锅炉构成的冷热电三联供多能源系统。

图5   三联供多能源系统

可以得到相应的综合能量流方程：

进一步的，构建能量枢纽的优化运行模型，需要强调的是，仅考虑能量转换关系情况下，本文提出的标准化建模给出的是一个线性优化问题，而传统的能量枢纽因为引入调度因子，而使模型变成非线性。设置了四组算例：

#1：考虑储热和综合需求响应

#2：不考虑储热

#3：不考虑综合需求响应

#4：不考虑储热和综合需求响应

下表给出了四组算例下，本文提出方法和传统能量枢纽建模方法的结果：

可以看出系统增加储热装置和实施综合需求响应的经济性以及本文所提建模方法的优越性。

5  未来展望

本文主要是对局部多能源系统(能量枢纽)的规范化建模，没有充分考虑电网、气网和热网等能量传输网络的非线性，如何将这些网络纳入标准化建模中去，如何处理其带来的非线性性是未来研究的方向。

主要作者及团队介绍

王毅，清华大学博士研究生，主要研究方向：电力大数据、能源互联网、负荷预测等。

张宁，清华大学讲师，主要研究方向：新能源、电力系统规划及运行、多能源系统。

康重庆，清华大学电机系教授、党委书记;IEEE Fellow，IET Fellow, 中国电机工程学会高级会员。国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才。主持国家自然科学基金9项，其中3项被评为优秀结题项目。2016年作为项目负责人获批国家重点研发计划“高比例可再生能源并网的电力系统规划与运行基础理论”1项。担任国际SCI期刊International Transactions on Electrical Energy Systems共同主编，担任IEEE Transactions on Power Systems、EPSR等多家国际杂志编委;担任Journal of Modern Power Systems and Clean Energy (MPCE)等多家国内期刊编委。专著3部，论文350余篇，其中SCI收录90余篇(含IEEE Transactions文章40余篇)。获得2016年第44届日内瓦国际发明展金奖1项、银奖1项;2014年获国家级教学成果二等奖(第1完成人)。