浙江工业大学学报
JOURNAL OF ZHEJIANG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol.49No.2 Apr.2021
第49卷第2期
2021年4月
考虑多种能源耦合载体的综合能源系统建模
李颖毅】，郑伟民】，孙可】，郑朝明】，马骏超#，周丹3
(1.国网浙江省电力有限公司，浙江杭州310014'.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，
浙江杭州310006'.浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州310023)
摘要：电能和热能通常由化石燃料源产生，但热损耗的存在导致相应载体能源利用效率较低，且可再生能源的并入在较大程度上影响了现代电力系统的可靠性和灵活性。因此，通过构建多能耦合载体，以解决多能源系统中能源利用率低以及可再生能源所带来的不确定性与波动性的问题。研究方法主要包括热电联产、热泵、需求响应和多种形式储能的耦合，能量枢纽中的这些耦合节点促使电力系统转
型为集成能源系统。首先，利用EnergyPlan对2020年我国的电力、区域和独立热能综合能源系统进行建模；其次，分析了在不同情况下添加热泵、蓄热和需求响应以最小化年度成本、燃料消耗和CO：排放；最后，在计算临界和可输出过剩电力生产时，对产能单元的优化运行进行技术方案模拟。仿真实验结果表明所搭建智慧能源枢纽具有优越性％
关键词：多形式储能；区域供热；能源枢纽规划；综合能源系统；多能源载体
中图分类号:TM73文献标志码:A文章编号：1006-4303(2021)02-0194-09 Integrated energy system modeling considering multiple
energy coupling carriers
LI Yingyi1,ZHENG Weimin1,SUN Ke1,ZHENG Chaoming1,MA Junchao2,ZHOU Dan3 (1:StateGridZhejiangElectricPowerCo:$Ltd:$Hangzhou310014$China'2:ElectricPowerResearchInstituteofStateGrid Zhejiang Electric Power Co.,Ltd.,Hangzhou310006,China；  3.College of Information Engineering,
Zhejiang UniversityofTechnology Hangzhou310023China)
Abstract:Electricity and heat energy are mostly produced by the fossil fuel sources,but the existence of heat lo s makLsthLco r Lspondingca r iLrLnLrgyusLL f iciLncylow.MorLovLr thLincorporationofrLnL
wablL LnLrgyhaslargLlya L ctLdthLrliabilityandflLxibilityofmodLrnpowLrsystLms.ThLrLforL thLmulti-LnLrgy couplingca r iLrsarLconstructLdtosolvLthLproblLmoflowLnLrgyutilizationandthLuncLrtaintyandvolatility caused by renewable energy in the multi-energy system.The methods mainly include the coupling of c8generati8n heatpump demandresp8nseandvari8usf8rms8fenergyst8rage.Thesec8uplingn8desin energyhubspr8m8tethetransf8rmati8n8fthep8wersystemint8anintegratedenergysystem.TheEnergyPlan is used to model electricity,district,and individual heating integrated energy system in China in2020.
Furthermore the addition of heat pumps thermalstorage and demand response is analyzed in di f erent scenariostominimizetheannualcosts fuelconsumption andCO2emi s ions.Whenthecriticalityandtheoutput ofexce s powerproductionarecalculated theoptimizedoperationoftheproductioncapacityunitissimulatedby thetechnicalsolution.Thesimulationresultsshowthee f ectivene s oftheproposedsmartenergyhub.
Keywords:multi-form energy storage'district
system'multipleenergycarriers
随着工业化和城市化的快速发展，优质供能网不仅需要为用户稳定供电，而且还需要供热、供冷以及
日
常生活使用的天然气。然而，传统的能源基础设施，如电和热，依旧是独立的，这使得系统易出现效率低、运heating'energy hub plan'integrated energy
行成本高等现象(1)&由此，多能载体(Multiple energy carries,MEC)集成在近年来受到了极大的关注。在应急情况下，不同类型的能源可以相互支持，从而增强系统的可持续性、灵活性和可靠性&MEC的耦合被称
收稿日期20200221
基金项目：浙江省重点研发计划(019C01149)
作者简介：李颖毅(1973—)，男，浙江杭州人，高级工程师，研究方向为电力系统规划,E-mail：li_yingyi@zj.sgcc &
2
李颖毅，等：考虑多种能源耦合载体的综合能源系统建模
・195・
为综合能源系统(Integrated  energy  system,IES )。在所 有 IES  中，热电联供(Combine  heat  and  power,CHP )以
的排放 户的用电和热 ，其与电网的快速的发展。此外$ES
系统的灵活性，弱化不确定性「虫，引
的
生 (Renew ­
able  energy  sources , RES)，如风电和光伏(Photovoltaic , PV )，从而有助 系统对化石 的 。供热基础设施分为独立供热(Individual  heating , IH)和区域供热
(District  heating,DH )网络。由于环境污染问题，现阶段
政府正致力于MEC 的 ，嘉兴、」 地已经开展了有源配电网试点项目，即电、热、燃气 化的典型示范&
目标是到2020年，可再生
占份额至少
为15%，到2030年我国 为最大的 生
投资国6。在实现MEC 集成的过程中，需求侧响应(Demand
response , DR)、储能(Electricity  storage , ES)以及热储
(Thermal  storage , TS)的灵活性则成为能源系统(电和
热)较大的影响因素。此外，通过热泵(Hat  pump,HP ) 技术 是
排放的有效方法⑺&
MEC 的节点能源枢纽有助于整合RES,DR,ES 和 TS  等分布式能源(Distributed  energy  resources ,DER ),
从 化
因此, 为实现MEC 优化
的关键所在。文献［9］对冷热电 系统中的热 行 化 ，从 大限度地 电力 热设施的投资。 ［10］分析了含热 热电
的综合
系统中热损失 的方案&
［1叮
提出
生 热
化控制策略, &
:［12］通过热能储存增加系统的灵活性, 助 -生
确定性的影响。 侧响应方［14］中,RES 在利用车同网(Vehicle  to  g rid,V2G)技术
开发部I 、［间协同效应的同时，使用EnergyPlan 与DR  有 &
15］提出智能调度IES，从
系统利的RES &然 很少有案例研究 量规模型进行分析，且 子系统基础设
有在大型IES 模型
行过完整的分析,
对IES 进
行建模, 生 储 考虑在内。 ，可发电增量超过输电线路容量，称为临
发电
量(Critical  excess  electricity  production,CEEP )，而这种
电量通常会被忽视&为了应对这一现象，笔者以
国大规模工业 为研究对象，构建智慧能cari
HP 和DR 的引 系统对RES 的
，从而
系统灵活性
率。
1智慧能源枢纽模型
能源枢纽是能源供应商、集成商、用户和相应的电
力 子网之间的
，用于生产、转换、存储MEC
& EnLrgyPlan  智 电
网的协调、资 及转换成为可能，从而使智 ［源
系统 的排放 的 率& 智 建
模 1
&电力 由 生 (水电*
太阳能、地热)、核电站(Nuclar  power  plants,NPP )、火
电厂(Thermal  power  plants , TPP )和 CHP  来 满足。
DH 需求由热电
，而HP  贝」IH  &整
，主
技术模拟方
案，减少一次能源供应(Primary  energy  supply,PES )或
料消耗、CO?排放和总成本，并提出
IH 网络中
引 的 RES 、 HP  换 、 增 TS  DR
面，文献［13］阐述了 DR 在集成DER 中的作用&文献
多种方案，体现各单元对IES 目标功能的影响。
—► EH 控制单元
----火电机组
----► 锅炉
区域热需求
—►特定场景中增加的电能流-----------►特定场景中增加的热能流
1 111
； T
PV4  k
电负荷
1 需求
独立热需求
图1智慧能源枢纽模型
Fig.1 Smartenergyhub
・196・浙江工业大学学报49
1.1各单元数学模型
1.1.1输入与输出
传统发电厂效率较低，主要是由于2/3的能源
通常以热的形式损耗，但在用户侧DER是可以有效
减少配电和输电损耗，降低能源成本并提高效率的&
本研究以受控可再生能源（水电和地热）、可再生能
源（风能和太阳能）、核电站和发电厂（使用煤炭或天
然气的火力发电厂和热电联产厂）作为输入，以产生
所需的电、热输出&总发电量可表示为
p tot—p out+p out
式中：P Ot P O"分别为电输出和热输出。
电力热为
8784
P d—"p o$t
8784
Dd一V1poit
厂h"r h,t
t-1
供热分为DH和IH，可表示为
Dout J")out|pout
h dh ih (1)
(2)
(3)
(4)
式（2,3）中8784为2020年一整年的小时数&其中：P d P d分别为电、热负荷需求；P ut,P h$分别为t时刻的电能输出和热能输出；P du,P鈔分别为DH和IH输出&
智慧能源中心（Smart energy hub,SEH）产生的电率为
p r—y（）；Tx p e pz）+（1-w）（）?Cx p C）+p R Es+ p NPP+p SHDO—p SHUP+Q ds—Q ch—p hp,（）式中：i为传输因子；朮为转化效率；p p p2,p R es,p N pp 分别为TPP,RES,NPP产生的电能；说为CHP机组产热因子;p S hd°,p S h up分别为电能转移后减少量和增加量；S d",S：h分别为电
能释放量和储存量；p h,n为向HP的电能输入&其中,p S HDO,P S HUP表示从高峰时刻到低谷时刻的总下移和上移功率，而流入转换器的总功率由调度系数*表示&
NPP和RES产生的功率表达式为
p NPP—”N PP x f NPP x c.f npp x p N_P x d NPP（6、
p max（d NPP）6式中：筒P为NPP效率;f NPP为燃料总量；C.F npp为NPP校正因子;p N pp为NPP消耗的电能；d NPP为能源生产分布&
风力、太阳能、水力和地热等可再生能源的功率式为
p RES—p w+p S+p hydro+p geo(
7)风能和太阳能等的功率可以通过容量乘以小时分布来计算&尽管如此，不同的配置可能导致产能的提高或降低&因此，由校正因子C.f来改变分布&其取决于容量因数C，计算式为
Dgeo
丄e
p w-p w x8784x c.F w(8)
w
c.F w-e(9)
c w x8784
p S—p S x8784x c.F s(10)
r「s—p S
c S x8784
(11)
严”。—谓叫4hdl
e8784
(12)
p hydro—^hydro x4hydro(13)
.湄0x f geo x c.F geo x p n o x d geo
()
max(d geo)
式中：p w,p s,p h ydro,p g eo分别为风电、光伏、水电、地热出力；p w为风机涡轮输入功率；c.F w为风电出力校正因子&
将锅炉产生的总热量分为区域网络供热和单独网络供热，可表示为
pt—pl+p l（15）DH和IH的出力计算可分别表示为
p S!*—*（!C x p C）+（1—*）・
（!l X P l11）+S d S—S h h（16）p oe*—（就x p B）+cOP hp x p hp"（17）式中：诟为chp机组热效率,p c为其相应的消耗;！为锅炉效率;P lh,P l分别为DHIH的需求;S O s,S h h分别为热储释放的存储的热能;COP1"%HP性能系数&燃料通过两个转换器进行供电（TPP和CHP）和供热（CHP和锅炉），
引入*来表示转换器的功率，其值为0〜1，因而分配因子总和将始终等于1&所建立的输入输出的映射可以用矩阵形式表示为
1-
0x
0一
p i T n PP
NPP
厂in
p i R n ES
(18)式中分别为放电系数和热损耗系数；s t, s o”分别为放电容量和热容量&
112
转换器可以根据输入和输出的数量进行分类&笔者所使用的转换器主要包括3种类型&
1)的热计式为
p g-灵・p B(19)
2)CHP的电热计式为
p c—说・p e(20)
p c—贵・p c(21)
3)热泵的供热计算式为
p h p-cOP hp・p p p n(22
)
2李颖毅，等：考虑多种能源耦合载体的综合能源系统建模・197・
1.1.3
储能元件，这些储能元
连输入、输出或换丨处。
SEH同时电储能与热储能，对应的能量
充放公式为
ptotal
S fu S S(1—几"+[P och"h—亠^・△
!兀,dis
(23)
式中：下标！表示笔者研究的电能或热能的类型；
0限制充放过程中的能量损失&
1.1.4需求响应
需求响应是以负荷转移的形式引入的，假设为
总电力的10%&格弹性来
量化，格弹性为变化与价格变化之
比J式为
1.2
能量输 率应与输出总功率相等，其表达式为
P T PP+P C+P B+P N PP+p R es=
P Ut+p out+P or
其中电和热大限度内，即
p d(min)+^p out p d(max)
p d(min)p out p d(max)
此外，还包括如下约束：
1)电功率平衡约束为
p pp2+p c+p N pp+p R es+s d s+s;h+p jt DH网络平衡约束为
P C+P B h+s h s=S h h+P dh
IH网络平衡约束为
p B+p h p=p r
出力限制为(25)
(26)
(27)
(28)
2) 3)
4)
2000
1800ut
(29)
(30)
0<P Bt<P Lx(31)
5)热电束为
—R C h dt+P C—P—+R C h dt(32)
P A e+P t+P!nax c(33)
6)需求响束，从高峰时段(Shitt up,
SHUP)转移到低谷时段(Shitt down，SHDO)的总
电量变，还需确(〃S HUP)和下移(//S HDO)
同时发生，式为
87848784
"p SH do
="p SH up(34)
t=1t=1
0+〃S HUP+〃S HDO+1(35)
式中：〃S HUP，“S HDO为侧上、下转移指标&
7)储能容量约束，充放率限制式为
0+P oh+&.mch(36)
0+P!ts+(I—&!)p m,hs(37)
式中！泛指电能和热能&引入二元变量，保证充
电和放电不同时发生&储能容量约束式为
En m m+ER+En m ax(38)
2仿真数据
EnergyPlan采用面向对象编程和集成开发环
境相结合的Delphi pascal(DP)编程&该软件得到
广泛的，型热电的、探究】
生的规模等&
由于人口、经济和许多其他因素的巨大增长，能
预测总是很难预测&许多研究人员和组:
考虑基同情景调查的许设来预测未来的
&研究考虑的电力
1.5%的增长率，2014—2030年国际儀
(International energy agency,IEA)也提出了我国
全国能源需求率。我国2020年各月、年平均、最大
量(16)如图2&
q M D ' ^ w *耀
o
O
4
2
1
1
o
o
O
o
o
O
8
6
o
O
o
O
4
2
IZZ热需求二DH需求
匚二I电加热口电需求
1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年均最大最小
类别
图22020年能源需求图
Fig.2
Energydemandfortheyear2020
・198・浙江工业大学学报49
2.1电力网络
综合规划，我国2020年电力和电加热为8034,116TWh/a「17）。电、光伏、核电站、火力发电厂、地热、水力、背压式热电：、凝式热电（PP）和工业热电电力，研究过程的的容量如表1所示&充放电容量S；h,S d s均取17911，充电效率朮0取0.8，放电效率泸取0.9。
表12020年机组参数
Table1Unit parameters for the year2020
电源容量/GW效率校正因子冷凝式CHP9000040
背压式CHP210033
综合CHP300040
核电580360.786
地热11000600
水电350100
电2000360光伏10001502.2网
热管网分为DH和IH两类，年热量需求均为1216.46TWh/a（17）。
2.2.1IH网络
参考模型的单独供热需求首先由煤炭和Ngas 锅炉来&与IH相比，DH在经济和技术I 为IH网络消耗的能量，而这些能量主要是由TPP产生的&
222DH
确定性能源规划工具中的区域供热分为3组：第1组热由；第2组为带有丁和型热电厂的DH系统；第3组为包含大型热电的。3组热电发电（冷凝模式运行），发电热（背压模式运行）&可见第3组比第2组更具灵活性。此外，也有工业热电物 工业产生区域供热。$2组3组热电
机组来DH&热单元的情况如32。
图3产热单元容量
Fig.3Heat production components capacity
表2DH各项参数
Table2DH producing components specification
组别
热负荷/(TWh・a—1)锅炉CHP热储能容量/
GWh 产能耗p B/(MJ・s—1)v B p C/(Mj・s—1)! 25770152660670.620000—347701000.00241818038600
3算例分析
笔者研究分为5个情境，针对两种不同的模拟策略进行技术分析。多个场景的不同情况如表3所示。表3中的电气单元主要包括TPP、NPP、地热、水电、风电、光伏和CHP
。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。