基于能量枢纽的能源互联网协同运行关键技术研究

南钰，郑罡，王方苏，王军亭

[摘    要]随着以风电、光伏、冷热电联供、储能为代表的分布式能源资源高渗透接入，如何通过增强源网荷协调互动，充分调动多方积极性，使综合能源系统更加高效、低碳、智能，已成为世界范围内广泛关注的研究领域。文章从技术角度分析能量枢纽的能源互联网协同运行问题，以期提高能源应用效能，为多能源利用和社会可持续发展提供研究基础。

[关键词]能量枢纽;综合能源系统;协同运行;优化调度;需求响应

[中图分类号]TM73 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）12–0–02

Research on Key Technologies of Energy Internet

Collaborative Operation based on Energy Hub

Nan Yu，Zheng Gang，Wang Fang-su，Wang Jun-ting

[Abstract]With the high penetration access of distributed energy resources represented by wind power， photovoltaic， cogeneration and energy storage， how to enhance the coordination and interaction of source network loads， fully mobilize the enthusiasm of various parties， and make the integrated energy system more efficient， low-carbon and intelligent has become a research field of widespread concern in the world. This paper analyzes the coordinated operation of energy Internet in energy hub from the perspective of technology， in order to improve energy application efficiency and provide a research basis for multi energy utilization and social sustainable development.

[Keywords]energy hub; integrated energy system; cooperative operation; optimal scheduling; demand response

在能源技術蓬勃发展的当前，冷热气及分布式能量接入配电网进行就地消纳是最有效的利用方式，存在广阔应用前景[1]。从能源利用的角度来看，配电网中能够参与互动响应的资源数量迅速上升，技术不完善模式下建立的配电网逐步产生一些问题，如发电能量及分布式发电渗透率受限。因此，为有效促进多能源的高效应用，需要不断提升配电网及多能源网络互协技术，为多能源利用和社会可持续发展提供研究基础。

1 基于能量枢纽的综合能源系统运行机理

1.1 能量枢纽

随着以风电、光伏、冷热电联供、储能为代表的分布式能源资源高渗透接入，如何通过增强源网荷协调互动，充分调动多方积极性，使综合能源系统更加高效、低碳、智能，已成为世界范围内广泛关注的研究领域。微电网、智能配用电系统、主动配电网等技术概念应运而生，共性地指出了未来配用电系统的发展趋势，即考虑多方诉求，通过多源系统协同规划、“源—网—储—荷”的稳定控制与协调优化，实现安全稳定与可靠性要求下的清洁能源最大化消纳[2]。

能源枢纽（Energy Hub， EH）是储能、冷热电联供、负荷等多种用能形态的集合体，是构建综合能源系统的关键环节，近年来逐渐受到电力行业的重视。作为一种输入—输出的双端口模型，能源枢纽的作用在于对多能源系统中耦合关系、符合需求、能源供应、网络交换等问题进行描述，能够分析和规划多能源系统。它的另一个作用还在于对多能源进行转换，且在多能源综合管理中体现出不同能源的互通互联性，能够确保能源从生产到消费的运营自由，突破了原有的能源运营壁垒。

1.2 电/气/热综合能源系统

电—气—热综合能源系统典型结构如图1所示。为实现多能源网络互联的协同运行，需要对冷/热/气的冷热电三联供的典型特性进行调研并建立特性模型。在模型建立时，要掌握对各种供能设备的作用以及冷热电联供系统模型是将各种供能设备、负荷、能量转换装置（如制冷机、燃气机等）以及冷热电储能装置等汇集在一起的配备保护装置的综合能源网络系统。

区域能量管理系统（EMS）通过信息流调控能量流，保障微电网运行的安全高效。能源结构如图2所示。

综合性的电气热能源系统，它的特定负荷能够确保多种能源需求得到满足，也使单一能源网络供应不在是负荷需求唯一能依赖的方式。而单纯考量电力的需求响应无法有效实现能源互联网的供需优化协调，仅考虑电力资源调控模型与调控方法不能满足综合需求响应的技术要求。本文从用户侧综合需求响应角度出发，最大限度地挖掘电/气/热多种能源的响应潜力，通过综合需求响应达到能源枢纽供需协调优化的效果。

基于EH多能源协同的特性，除了考虑EH参与电网的需求响应，还考虑EH电/热/冷多种类型用户的需求响应行为以及气网非hub用户的需求响应行为。其中，冷/热资源在EH内部发生转移与交换，而气网响应用户通过EH中的CHP参与综合需求响应。根据需求响应机制和负荷需求，构建综合能源枢纽优化运行目标，并进行优化求解。

通过基于能量枢纽的区域能量管理系统能够促进更多地冷热气以及分布式能源项目接入配电网中，提升运行效率，降低配网因多能源接入的故障率，促进新能源消纳，优化能源结构。

2 基于能量枢纽的综合能源系统协同运行控制技术

2.1 基于能量枢纽的综合能源系统正常态协同运行技术

本文以提升综合能源系统对网内分布式新能源发电的就地消纳能力，降低系统运行过程造成的电能损耗，促进终端用户对综合能源系统优化的主动参与，挖掘各能源单元的使用潜力，提升综合能源利用水平为建设运行目标。基于能量枢纽的综合能源系统协同运行控制包括调节可控分布式电源出力、调整储能原件负荷与柔性负荷，以及通过操作联络幵关改变网络拓扑结构等优化方式。

基于能量枢纽的综合能源系统的多源协同优化调度策略依据的是综合能源系统中各能源单元的实时运行数据，通过分析各种发电元件和负荷元件在时间和空间上的关联性和互补性，运用调节发电处理、优化电网接线方式、调整负荷等调度手段，以系统整体运行成本最低化为目标，实现综合能源系统的协同优化运行。

2.2 基于能量枢纽的综合能源系统紧急态稳定运行技术

由于电网电压的箝位作用，风电、光伏、储能、热电耦合设备以电流源形式运行。在出现电网故障、非计划孤岛等紧急态下，基于能量枢紐的综合能源系统独立自治运行，为保证对电热等负载的不间断供能，组网能源单元需要实现并网/离网的无缝切换功能，为重要负载提供稳定的电压支撑、保障系统整体的安全可靠供能。在此基础上，从离网到并网切换时，需要调整组网能源单元的逆变电压与电网电压一致，尽量降低系统并网冲击;从并网到离网切换时，需要锁定切换前的电热等负载电压的相位、幅值，以使得离网后的系统电压快速平稳，避免出现较大波动。

无缝切换技术（SeamLess Transition）建立包括功率环、滤波电容电压环和滤波电感电流环的组网能源单元三环稳定运行技术，分析三环控制策略在稳定控制和离网/并网模式无缝切换过程中的控制过程。在离网运行模式的滤波电容电压环、滤波电感电流环的基础上，并网模式增加功率外环，由给定的有功功率P、无功功率Q指令依次控制两个内环。整个稳定运行技术采用比例-积分（Proportional Integral）控制器以抑制并网/离网切换过程中产生的暂态冲击，并引入电压前馈控制提高控制系统的抗扰动能力，进而有效实现基于能量枢纽的综合能源系统紧急态稳定运行。

3 基于能量枢纽的综合能源系统协调优化调度方法

3.1 基于潮流的网络分析方法

分布式电源接入配电网后，由于潮流的变化会给配电网的节点电压、电能质量、网损以及可靠性带来不利的影响。通过配置储能系统，利用其快速的响应能力，可以在一定程度上缓解大规模分布电源接入所带来的问题。但由于配电网网架结构，各个节点上的负荷水平以及线路阻抗的不同，不同容量的储能系统接在不同的节点上其功能的发挥水平也会不同。因此为了寻求技术和经济上的最优方案，必须从电力系统角度出发，通过计算区域配电网的有功、无功潮流，来对储能系统在配电网中的安装容量和安装地点进行配置。

3.2 多源协调优化调度模型及系统设计

综合能源系统利用多种能源形式和供需关系差异解决了可再生能源利用与能源效率问题。在综合能源系统中由于存在可控、可调的分布式发电单元作为可调度资源，可以为配电网提供电能。而储能、电动汽车充电站既可作为负荷侧资源，又可作为电源侧资源参与配电网调度，因而配电网成了可以双向调度电能的主动型配电网。主动配电网多源协同优化调度问题主要是研究网内可控电源、间歇性电源以及储能单元的优化调度。调度目标包括配电网总成本尽可能低、可再生能源的利用率尽可能高、环境压力尽可能小。

本文设计的综合能源优化调度管理系统从主站信息平台获取电网电价、经济、环保、天气等信息，结合电网实时运行数据，根据预设的调控目标制定优化策略，实现电网的优化控制。

依据电力储能、蓄热和蓄冷设备的储能能力与互补特性，建立 CASE管理模型。利用主动配电网多时间尺度的能源协同优化控制技术，协同优化技术结合功率预测、长时间尺度调度方法、短时间尺度调度修正策略以及实时控制策略，实现各发电单元与需求侧负荷的高峰、低谷的实时平衡互补，实现多能源系统的联合优化运行，提高主动配电网的综合能源利用效率。

综合能源系统是采用多能耦合技术，通过冷热电的相互转化，结合相应的储能设备，保证区域冷、热、电负荷的稳定供应，同时提高新能源消纳能力。不同时间特性与差异场景下的能源出力是不同的，需要采用燃气发电技术、冷热循环路径技术以及余热回收技术与热/电能量存储方法，能够实现有最优能源供给与最低能源损耗约束条件下，实现基于冷/热/气等多能源网络的能源高效梯级利用。

4 总结

基于能量枢纽的综合能源系统通过多种类型能源的耦合联动，极大地丰富了需求响应的参与主体与参与时间，大大扩展了传统电力需求响应的市场宽度、时间尺度与地理维度，能够促进更多地冷热气以及分布式能源项目接入配电网中，提升运行效率，有利于促进多种能源的高效利用，促进新能源消纳，优化能源结构，降低建设成本，提高能源综合利用率和盈利水平，具有较高的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 程浩忠，胡枭，王莉，等.区域综合能源系统规划研究综述[J].电力系统自动化，2019， 43（7）： 1-13.

[2] 邵丽敏.面向可靠性与安全性的微网能量管理系统研究[D].上海：上海交通大学，2014.