電熱系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化可以提高燃料利用效率，節(jié)省運行成本，但當(dāng)前電熱耦合系統(tǒng)能流研究主要針對于電力系統(tǒng)，對供熱系統(tǒng)的管網(wǎng)特性、熱負(fù)荷與用戶溫度需求的關(guān)聯(lián)特性考慮得還不夠精細(xì)，無法充分反映電熱系統(tǒng)的實際運行特性。

 

該文基于熱力管網(wǎng)支路特性及散熱器、換熱器等關(guān)鍵設(shè)備的穩(wěn)態(tài)模型，考慮供熱系統(tǒng)能量傳輸與管網(wǎng)約束，建立了供熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能流計算的精細(xì)化模型。在此基礎(chǔ)上，以熱電聯(lián)供機組電熱出力與電鍋爐出力為調(diào)節(jié)變量，提出了一種基于內(nèi)點法的電熱耦合綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)能流求解方法，能夠更加準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)運行特性并實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟運行。最后進行算例測試，驗證所提最優(yōu)能流計算方法的可行性與有效性。

 

近年來，以能源互聯(lián)為特征的能源革命已經(jīng)蓄勢待發(fā)，以電網(wǎng)為核心主干平臺，包含多種能源形式的耦合互補互聯(lián)系統(tǒng)快速發(fā)展，其中以熱電聯(lián)產(chǎn)機組作為核心能源中樞的電熱耦合綜合能源系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，是能源互聯(lián)互補的主要表現(xiàn)形式之一，也是目前我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要發(fā)展方向。關(guān)于電力系統(tǒng)與供熱系統(tǒng)耦合的綜合能源系統(tǒng)的研究，對于打破原有供能系統(tǒng)單獨規(guī)劃、單獨運行的既有模式，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的多能互補集成優(yōu)化具有重要意義。

 

電熱耦合系統(tǒng)是綜合能源系統(tǒng)的主要表現(xiàn)形式之一，包括電力系統(tǒng)與供熱系統(tǒng)，涉及常規(guī)發(fā)電機組、熱電聯(lián)供機組、鍋爐、換熱裝置等多種設(shè)備類型，同時還包括電力、熱力傳輸網(wǎng)絡(luò)。建立電熱耦合綜合能源系統(tǒng)的能流模型，利用混合能流技術(shù)實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)部多種能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化管理，通過各類耦合元件充分發(fā)揮不同能源之間的互補替代能力，能夠有效提高能源利用效率，實現(xiàn)電熱耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。

 

目前，電力系統(tǒng)與供熱系統(tǒng)其各自獨立系統(tǒng)的分析方法已經(jīng)相對完善。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)潮流、最優(yōu)潮流模型及相關(guān)算法已經(jīng)較為成熟，同時對于微電網(wǎng)及交直流電網(wǎng)的潮流與最優(yōu)潮流技術(shù)也取得了一定的進展。供熱系統(tǒng)的建模方法也有了相應(yīng)的發(fā)展，文獻[8,9]提出了集中供熱系統(tǒng)的建模方法，但未能較好地結(jié)合電力系統(tǒng)，難以反映電熱耦合綜合能源系統(tǒng)的實際運行過程。

 

現(xiàn)有綜合能源系統(tǒng)的研究多以電力系統(tǒng)為核心進行分析，文獻[10,11]考慮熱電機組出力特性和儲能系統(tǒng)分析了電熱聯(lián)合調(diào)度對促進風(fēng)電消納的影響。文獻[12,13]基于能量集線器模型提出了綜合能源系統(tǒng)潮流計算方法和日前調(diào)度方法。文獻[14]對于電熱耦合系統(tǒng)提出了統(tǒng)一求解與順序求解的兩種混合潮流計算方法。文獻[15]對電、熱、冷負(fù)荷進行了細(xì)分，提出了基于內(nèi)點法的經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度模型。

 

但是，以上研究中的大部分模型只考慮到能量平衡，網(wǎng)絡(luò)平衡尤其是供熱管網(wǎng)平衡考慮不足。供熱系統(tǒng)作為綜合能源系統(tǒng)的重要組成部分，也同樣存在線路傳輸能力及節(jié)點狀態(tài)量的約束，只考慮能量平衡無法反映系統(tǒng)實際運行狀態(tài)。尤其對于區(qū)域級綜合能源系統(tǒng)，供熱管網(wǎng)的傳輸約束將直接影響整個系統(tǒng)的能流分布，因此在計算綜合能源系統(tǒng)能流時需要在電力系統(tǒng)潮流的基礎(chǔ)上進一步考慮供熱系統(tǒng)的管網(wǎng)平衡和傳輸約束。

 

在考慮網(wǎng)絡(luò)約束的電熱耦合系統(tǒng)研究方面，文獻[16]在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)潮流計算中考慮了配電網(wǎng)重構(gòu)對控制運行成本的影響，但在模型中著重考慮了電力系統(tǒng)的相關(guān)約束，對氣、熱網(wǎng)絡(luò)約束考慮較少。文獻[17]提出了供熱管網(wǎng)分布參數(shù)模型，參照電力系統(tǒng)模型對熱網(wǎng)模型進行調(diào)整，提出了電熱耦合網(wǎng)絡(luò)協(xié)同規(guī)劃方法；文獻[18]在電力系統(tǒng)相關(guān)約束的基礎(chǔ)上對熱力管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行分析，考慮了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞募s束，建立了電熱耦合系統(tǒng)潮流計算方法；文獻[19]考慮了供熱系統(tǒng)回水管網(wǎng)的溫度損失，建立了含多分支輻射狀熱網(wǎng)的電熱耦合系統(tǒng)最優(yōu)能流模型。

 

但上述研究在供熱系統(tǒng)建模時大多只考慮一級熱網(wǎng)供水網(wǎng)絡(luò)約束，少部分考慮了一級熱網(wǎng)回水網(wǎng)絡(luò)約束，在供熱方程中只考慮管道沿程溫度損失，普遍缺少熱負(fù)荷的描述，無法精確反映熱網(wǎng)實際運行情況。

 

本文重點考慮供熱系統(tǒng)管網(wǎng)特性，計及熱力管網(wǎng)約束，考慮供回水網(wǎng)絡(luò)不對稱及多熱源場景，利用換熱器、散熱器等關(guān)鍵設(shè)備運行特性，建立熱負(fù)荷與熱用需求及實際換熱過程的聯(lián)系，構(gòu)建了更加精細(xì)的供熱系統(tǒng)模型。考慮聯(lián)供機組及電鍋爐等電熱耦合元件，建立電熱耦合綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)能流模型，基于內(nèi)點法對模型進行求解，并通過算例驗證了模型和求解算法的正確性。

 

 

圖1供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 33節(jié)點配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖5 45節(jié)點熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)

結(jié)論

 

本文通過對供熱系統(tǒng)的精細(xì)化建模，在電熱耦合系統(tǒng)的能流計算中計入熱網(wǎng)傳輸約束與損耗的影響，利用換熱器、散熱器運行特性建立了較為準(zhǔn)確的一級熱網(wǎng)熱負(fù)荷模型，提出了考慮供熱系統(tǒng)建模的電熱耦合綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)能流模型及計算方法。通過算例驗證，所提方法能夠通過調(diào)節(jié)聯(lián)供機組及負(fù)荷側(cè)電鍋爐出力等進行電熱能量系統(tǒng)的互補轉(zhuǎn)換，提高了能源利用效率。

 

接下來將進一步考慮熱泵、儲能、光伏等系統(tǒng)對最優(yōu)能流計算的影響，并考慮概率特性，研究綜合能源系統(tǒng)的概率最優(yōu)能流。