基于电力和燃气互补控制的综合能源系统控制方法研究
2022-01-23陆怀谷吕志鹏刘文龙
史 伟，陆怀谷，周 珊，吕志鹏，余 涛，史 超，刘文龙，刘 梦
（1.国网江苏省电力有限公司常州供电分公司，江苏 常州 213004；2.国网上海能源互联网研究院有限公司，上海 201210）
0 引言
在能源危机和环境恶化的双重压力下，全球大力发展可再生能源、多能源系统互联和能源市场建设，使用户侧资源参与市场交易的意愿更强，以电能为主的综合能源交易迅速发展，从传统能源服务到综合能源服务的转型成为能源企业关注的焦点。
综合能源系统由电力系统、热力系统、天然气系统、可再生能源发电系统耦合与互联构成，以电力系统为核心，与热力、燃气系统高度耦合。可以充分利用多种类型能源（风、光、天然气等）的时空耦合特性（能源耦合紧密）和互补替代性（互补互济，多能互补转换），通过对电、气、冷、热等多种能量进行多维度的转换、分配与有机协调管理，达到各类能源综合利用、供需互动、高效运行。目前普遍认为综合能源系统是能源互联网的物理载体，因此综合能源系统已成为国际上能源领域未来重要的战略方向。
在相关研究中，文献[1-3]基于情景树结构建立随机经济模型预测控制，基于柔性负荷响应构建多时间尺度综合能源系统优化调度模型，实现综合柔性负荷、热电联产机组和风电的协调优化，降低优化过程中风电随机性的干扰；文献[4-5]基于电热混合储能系统研究，实现多能源微电网自主控制能力的提升；文献[6-7]针对考虑电-热耦合特性的能源局域网进行分层分布式的协同优化控制，实现多能源协调互补和深度融合；文献[8-9]基于热惯性不确定性的多能源系统鲁棒优化调度模型，实现多能源系统协调优化；文献[9-11]根据能源设备效率随负载率变化的特征，建立用能设备动态能效模型，实现各类型能源间的经济协同优化和梯级利用；文献[12-13]建立考虑电热联合需求响应的综合能源系统日前和日内优化调度模型，解决区域综合能源系统多目标双层优化调度问题；文献[14-17]搭建了包括电-气-冷-热-蒸汽网络模型库的综合能源在线仿真系统，并通过多能流综合能量管理系统，实现多能互补和源网荷储协同条件下的优化调度和安全运行，基于热力子系统的热惯性和多能互济进行综合能源系统经济性、可靠性评估。
1 分布式综合能源系统
1.1 系统概述
分布式综合能源系统是一种靠近用户侧的微型综合能源互联系统，系统关注分布式能源终端及其耦合关联，通过多种能源转换、存储、互补、替代的能量协调优化运行，实现当地资源的高效利用。
分布式综合能源系统的拓扑灵活、潮流可控，其能量优化管理对能源互联网的发展具有重要意义。但目前的分布式综合能源系统耦合性和集成度较低，且对用户侧冷、热、电需求变化的感知和反馈能力较差。由于供电、供气、供冷/热的综合能源系统，其各类负荷需求存在明显峰谷交错现象，如果各供能系统只按各自高峰负荷设计，会造成设备利用率低下并加大供能系统维护费用，因此可通过不同能源系统之间的有机协调与密切配合，实现各类能源负载的移峰填谷，提高能源供应系统设备的整体利用率水平。
本文研究的分布式综合能源系统的能源供应设备主要包括：光伏及电储能设备、微燃机及余热回收系统、空气源/地源热泵与中央空调系统、电热锅炉等电加热设备。上述分布式综合能源系统同时连接电网，进行电能、冷/热能的存储，为用户提供电能、空调冷/热能、生活热水等能源的供应。分布式综合能源系统主要应用于微燃机及余热回收系统，其提供的热能对系统中已有的热泵、电锅炉设备产生的热能具有互补替代作用。
1.2 系统模型及工作原理
典型的电气、燃气和热力分布式综合能源系统如图1 所示。其中，电锅炉、微燃机及余热回收系统均存在惯量延时，下面对其模型进行详细分析。
图1 典型的电气、燃气和热力综合能源系统交互示意图
电热锅炉的热过程控制系统主要是由锅炉与三相交流调压模块组成，调压模块通过改变电加热丝两端的电压，从而向锅炉内的水传递能量。其能量的传递过程首先是电流与它所要调节的电压的关系，近似可看作是比例关系；其次是电压与功率的关系，两者之间是非线性的关系；再次是锅炉内胆与锅炉外层散热的关系。电热锅炉的能量传递示意图如图2 所示。
图2 电热锅炉能量传递示意图
整个系统的能量，一部分被锅炉内胆吸收，提高了锅炉内胆的水温，另一部分被锅炉内胆的外层所散发。设锅炉所获得的总能量是锅炉内胆所获取能量与锅炉外层散发能量的总和。根据能量守恒定律有：
式中：W 为锅炉所获得的总能量；W1为锅炉内胆所获得的总能量；W2为锅炉外层散发的能量。
由热力学定理可知：
式中：C1为水的热容量；T1为锅炉内胆水的温度；k1为锅炉内胆的散热系数。
对式（2）进行求拉氏变换并移相可得：
根据以上对电热锅炉内胆模型的物理机理分析，可以得出如式（4）所示的电热锅炉内胆的传递函数。由于传热过程是一个较为复杂的过程，存在较大的容积时延，因此在考虑电热锅炉内胆的传递函数时，应该考虑纯时滞过程。
电热锅炉内胆的传递函数应该表示为：
由式（4）所示电热锅炉模型的传递函数可知，电热锅炉是一个大惯量一阶惯性加延迟环节，其响应时间较长，延迟时间达到10 min 以上，其动态响应特性如图3 所示。
图3 电热锅炉系统单位阶跃响应
冷热电联供系统由动力装置、供热装置和制冷装置组成，为用户提供电、冷、热等不同品类的能源供应，实现能源的梯级利用。天然气在原动机中燃烧输出电能，利用废气或废水余热回收供热，利用吸收式/电制冷机制冷，并经常配备蓄能设备为辅助设备。
本文以微燃机及余热回收系统为例，微燃机控制直流母线电压传递函数如图4 所示。
图4 微燃机能量传递示意图
式中：Gmt（s）为微燃机闭环传递函数；为微燃机等效惯性环节；G4（s）为外环PI 环节；Giac（s）为微燃机电流内环等效延迟环节；G5（s）为微燃机变换器增益，其中m 为调制比，通常取1。
进而得到微燃机闭环传递函数Gmt（s）为：
通过单位阶跃信号模拟负载突变，可以得到微燃机动态响应特性如图5 所示。微燃机响应延迟时间为10 s 左右。
图5 微燃机单位阶跃响应
图6 为电力、燃气、热力典型综合能源系统能量流动图。该综合能源系统连接电网，能够提供交、直流的电能供应和生活热水、空调冷/热负荷供应。该系统包含光伏、微燃机等主要电能生产设备，包含热泵、电辅热、微燃机余热回收系统等热能生产设备，以及电池储能、热储能等主要储能设备。
根据图6 所示系统中能量的流动关系，建立电母线、烟气母线、热母线、冷母线的功率平衡约束，具体如式（7）—（10）所示。
图6 多能源要素分布式综合能源系统能量流动图
1）电母线功率平衡约束。
式中：Pgrid为电网侧输入功率；Pmt为微燃机发电功率；Ppv为光伏发电功率；Pwt为风机发电功率；LE为电负荷功率；PAC1为冰蓄冷主机的电功率；Php为热泵的电功率；Peb为电锅炉等电加热设备的电功率；PES，C和PES，D分别为电储能的充、放电功率；分别为制冷主机制冰、制冷时的电功率。
2）烟气母线热功率平衡约束。
式中：QCHP，smoke为热电联供机组回收的烟气热功率；QHRSG，smoke和QHX，smoke分别为余热锅炉回收装置、烟气换热器吸收的烟气的热功率。
3）热母线功率平衡约束。
4）冷母线功率平衡约束。
基于设备准稳态模型建立的能量功率平衡约束条件，实现对综合能源系统内部的能流转换过程及供需平衡的描述。
1.3 电力和燃气的惯量互补控制策略
本文所涉及的燃气系统、热力系统均具备较大的惯性，具有快动态特性的电力系统与具有慢动态特性的燃气系统、热力系统通过电热耦合、气电耦合、气热耦合实现紧密结合和互补替代。
在电力和燃气的惯量互补工况下，当储能电池SOC（荷电状态）受直流侧功率影响发生变化时，微燃机根据电池的SOC 波动调整其输出功率，直至匹配直流侧功率缺额，同时给储能电池进行充电，使电池的SOC 维持恒定。电力和燃气的惯量互补控制策略利用储能电池小惯量特性，使储能电池快速响应直流侧功率突变的短时功率缺额，微燃机则根据电池SOC 缓慢调整其出力，直至完全匹配直流侧功率缺额并维持电池SOC 恒定。
2 分布式综合能源系统典型工作模式
2.1 分布式综合能源系统硬件结构
分布式综合能源系统中单能流简单组合、单独控制的系统能源利用效率差，对于存在热力和燃气耦合系统调节不灵活，设备频繁运行于非额定工作点，基于电力和燃气惯量分析的分布式综合能源控制方法，能够充分发挥电能灵活枢纽、高速控制的性能，通过智慧物联终端设备的分布式边缘计算实现快速控制，有助于分布式综合能源系统在控制时间尺度和精细化程度上的提高。
图7 所示为一个多能源要素分布式综合能源系统典型结构。该分布式综合能源系统总装机容量135 kW，其中包括：120 kW 的电网供电，1台有余热回收系统的60 kW 微燃机，1 台峰值功率为30 kW 的光伏阵列，30 kW、60 kWh 储能电池组，60 kW 电热锅炉（包括11.5 kW 低温冷暖机组和12.14 kW 热水机的空气源热泵，1.5 t 的储热水箱）。系统中负载每小时最大用电量为150 kW。
图7 多能源要素分布式综合能源系统典型结构
图中AC（交流）端口1 通过变比为10 kV/0.4 kV 的变压器与分布式综合能源系统相连，AC 端口2 与微燃机及余热回收系统相连，AC 端口3与AC 电能负载相连，AC 端口4 与热泵及电加热设备相连。DC（直流）端口1 与储能电池相连，DC 端口2 与光伏阵列相连，DC 端口3 与DC 电能负载相连。
2.2 分布式综合能源系统控制方法
本文的分布式综合能源系统采用基于电力和燃气惯量分析的互补控制策略，该控制策略在分布式综合能源系统整体控制策略的基础上，通过对设备运行信息、各电气量测及环境参数的实时采集、分析，形成可下发的控制指令并发送至终端设备及各执行单元。利用电能系统小惯性快速、高效运行的特点，和燃气能、热能系统大惯性连续运行经济性的优势，快速满足用户侧能源供应的需求，并实现以电补气。基于电力和燃气惯量互补控制的分布式综合能源系统控制流程如图8 所示。
图8 中，Pgrid为交流端口1 电网电能使用的功率，Pmt为交流端口2 微燃机的发电功率，ηmth为微燃机余热回收系统产生热量的效率，Pac为交流端口3 交流电能负载的用电功率，Pdc为直流端口3 直流电能负载的用电功率。Pac为系统输出的实时电负荷功率，因此LE=Pac+Pdc；Pph和Peh分别为交流端口4 热泵、电加热设备消耗电能的功率，ηph和ηeh分别为系统中热泵、电加热设备产生的热的效率，Pb为直流端口1 储能电池发出的功率，Ppv为直流端口2 光伏阵列发电功率，PHL为系统产生的实时热负荷功率，因此PHL=ηmth·Pmt+ηph·Pph。LEf为系统供应电负荷的实时预测功率，Phwf为系统供应热水负荷的实时预测功率，Phaf为系统供应空调热负荷的实时预测功率，Phsf为系统储热的实时预测功率，LEf，Phwf，Phaf和Phsf分别为通过采集数据对日内电负荷、生活热水负荷、空调热负荷、储热功率预测值进行校正后的实时功率预测值。
图8 基于电力和燃气惯量互补控制的分布式综合能源系统控制流程
通过电力和燃气的惯量互补控制策略，在响应阶段前期利用电能迅速启动电热锅炉等电加热设备，快速响应电、热负荷的需求，并在经验时间t 后启动微燃机，按照一定功率分配比例进行电加热设备和微燃机的控制，实现对系统电、热负荷的补充。该控制方法利用电力系统小惯量特点，和微燃机、余热回收系统大惯量的特点，优先满足用户侧电能、热能供应，通过微燃机发电和余热回收实现电能、热能的高效互补供应。
若系统电负荷、热负荷的实时需求大于光伏的输出，小于光伏、储能电池、电网当前状态下的总输出功率，可分以下几种情况分析判断：
1）系统中只有电负荷，且电负荷大于光伏输出功率时，执行电池放电相关指令。
2）当系统中同时有电负荷和热负荷，且电负荷小于光伏输出功率时，执行启动电加热设备（包括热泵、电辅热设备）相关指令。
3）当系统中同时有电负荷和热负荷，且电负荷大于光伏输出功率，则执行按照一定的时间间隔和功率分配比例，启动储能设备和电加热或微燃机设备相关指令。
4）若系统电负荷、热负荷的实时需求大于光伏、储能电池、电网当前状态下的总输出功率，则同时启动微燃机和储能电池放电运行，其中，电池放电相关指令执行，包括对电网负荷高峰时段的判断，电网非负荷高峰优先使用电网的电能，电网负荷高峰时段，根据储能系统的电量情况执行放电指令。
储能设备、电加热设备、微燃机设备的启动，根据以下分析判断：在电网负荷低谷时段，则只启动电加热设备，不启动微燃机设备。在电网高峰时段，先启动电加热设备，延迟时间t 后启动微燃机设备，且判断系统的电、热负荷需求功率大小，当电、热负荷需求功率较大时，电加热设备优先利用储能系统放电提供；当电、热负荷需求功率较小时，电加热设备优先利用电网供电。微燃机启动后，按照电加热设备、微燃机设备功率分配比例λeh和λmt进行控制，其中λeh+λmt=1，两设备的电、热功率之和等于系统电、热负荷需求，其中微燃机按照额定功率运行，逐渐减小电加热设备的运行功率。
3 实验结果
设计气电分时价格工况和多元负荷波动等工况，进行基于电力和燃气的惯量互补控制的分布式综合能源系统仿真研究。
为验证电力和燃气的惯量互补控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink 平台下搭建分布式综合能源系统仿真模型，其仿真参数如表1 所示。由于仿真时间尺度较长，为方便验证，适当减小微燃机惯量特性与电池容量。
表1 分布式综合能源系统仿真参数
如图9 所示，0 s 前综合能源系统的电池处于充电工况，储能电池SOC>60%，微燃机未工作；0 s 时电能负载突增，导致Ppv+Pmt_max
图9 电池充电切换电力和燃气惯量互补工况波形
在以上运行工况中，储能电池经放电至SOC降到参考值以下，此时微燃机开始启动，最终微燃机出力补偿系统功率缺额与电池释放的能量。在负载功率出现缺额时，系统直流母线电压有小幅突升，系统整体可以保持稳定运行。
如图10 所示，在0-10 s，Ppv+Pmt_max>Pac+Pdc，且SOC≥30%，系统运行在电力和燃气的惯量互补工况。
图10 负荷突增波形
在电力和燃气的惯量互补下，可将光伏出力的增减与电、热负载耗电量的增减都以功率缺额Plack的变化进行体现。当出现功率缺额时，综合能源系统根据分析确定系统内微燃机、电加热等设备的运行及功率分配，实现功率缺额的快速匹配分析和能源设备的精细化管控。基于电力和燃气的惯量互补控制系统整体可保持稳定运行，并均具有较好的工作性能。
4 结语
本文研究的分布式综合能源系统通过电、气、热等多种能源系统的耦合，充分利用电能灵活枢纽、高速控制的性能特点，快速满足用户侧能源供应，并实现以电补气，既能发挥燃气、热能等大惯性系统连续运行的经济性优势，又能利用电能小惯性系统快速、高效运行的优势，实现对用户需求和电网状态的快速响应，满足分布式综合能源系统精细、实时的控制需求。
