區(qū)域綜合能源系統(tǒng)物理模型分析概述對于區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行選址規(guī)劃，首先要了解其內(nèi)部組成的各個成分的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上才能設(shè)計合適的算法對選址和運(yùn)行方案進(jìn)行選擇優(yōu)化。因此對綜合能源系統(tǒng)各組分進(jìn)行建模是十分必要的。本章節(jié)從區(qū)域綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換和傳輸過程入手，對其中最重要的組成部分——分布式能源站和能量傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模分析。運(yùn)用能源集線器的概念對能源站進(jìn)行建模，利用能量損失函數(shù)對電/氣/熱傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。1.1分布式能源站綜合模型在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，由于分布式能源站中存在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，產(chǎn)生了多能流耦合環(huán)節(jié)，為確保選址規(guī)劃方案的精確性，需要建立包含CHP機(jī)組的分布式能源站綜合模型。根據(jù)目前國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)參考[24]，本文設(shè)計的分布式能源站基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示[35]，它包括了電/氣能源輸入和電/熱能源輸出。在內(nèi)部則包含各種能源轉(zhuǎn)換裝置，如CHP機(jī)組和燃?xì)忮仩t，在此基礎(chǔ)上，本文還考慮了可再生能源裝置，如光伏發(fā)電、風(fēng)機(jī)以及電/熱儲能裝置。本課題基于能源集線器模型設(shè)計分布式能源站的設(shè)備物理模型[36-41]。能源集線器（EnergyHub,EH）是一種為實(shí)現(xiàn)多能負(fù)荷需求而設(shè)計的能量轉(zhuǎn)換單元，它最早由GeidlM和Andersson兩位學(xué)者提出，與僅能滿足單一能源負(fù)荷需求的傳統(tǒng)能源設(shè)備模型不同，EH具有多種接口，以支持支持不同種類能量同時進(jìn)行傳輸和轉(zhuǎn)換[42,43]。EH的優(yōu)勢在于以矩陣的形式建立各種能流之間的功率轉(zhuǎn)換模型，既分析了不同能量載體之間的耦合關(guān)系，便于進(jìn)行區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的多能協(xié)同優(yōu)化調(diào)度研究，又為使用計算機(jī)方法對模型求解提供了空間。EH包含2個基本要素：直接連接和經(jīng)轉(zhuǎn)換器連接。EH通過轉(zhuǎn)換矩陣將輸入矩陣混合輸出能源連接：。在能源轉(zhuǎn)換矩陣中，每項(xiàng)為對應(yīng)輸入能源與對應(yīng)輸出能源間的各自轉(zhuǎn)換效率。若某項(xiàng)為1，則表示直接連接；反之，若某項(xiàng)值為0，則意味著對應(yīng)的兩種能源之間互相獨(dú)立，不存在耦合關(guān)系。因此本節(jié)主要討論根據(jù)設(shè)計的分布式能源站結(jié)構(gòu)，建立合適的轉(zhuǎn)換矩陣來表述能源站內(nèi)部以及能源站之間的能量流動和轉(zhuǎn)換關(guān)系。根據(jù)EH擴(kuò)展框架，對于本文設(shè)計的含熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的分布式能源站，其基本熱電解耦矩陣如下[44]： (2-1) ,(2-2)其中，、分別為能源站i的電、熱負(fù)荷；、分別為上級配電網(wǎng)、配氣網(wǎng)對能源站i的輸入功率(kW)；、分別表示能源站i中CHP機(jī)組、燃?xì)忮仩t從配氣網(wǎng)購置天然氣的系數(shù)；、、分別表示CHP的電、熱效率，以及燃?xì)忮仩t的能量轉(zhuǎn)換效率；、、、分別代表能源站i不同能源儲備裝置的吸收功率和輸出功率(kW)；、則表示能源站i風(fēng)力發(fā)電以及太陽能光伏發(fā)電的功率(kW)，其具體表達(dá)式如下[45,46]：(2-3)其中，是能源站i的光伏的輸出功率；是光強(qiáng)度；是標(biāo)準(zhǔn)條件下的最大功率；是標(biāo)準(zhǔn)條件下的光強(qiáng)度；是功率溫度系數(shù)；是面板的工作溫度；是參考溫度[47]。風(fēng)力渦輪機(jī)（WindTurbine,WT）的輸出功率可以基于風(fēng)速計算[48,49]：(2-4)其中，，，和分別是能源站i的風(fēng)機(jī)額定功率，切入風(fēng)速，額定風(fēng)速和切斷風(fēng)速。由于系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，還應(yīng)當(dāng)考慮各個能源站之間互相傳輸能源的情形，因而此處在傳統(tǒng)EH模型中在輸出側(cè)添加了、分別表示能源站i從其他互聯(lián)能源站接收和發(fā)出的電能、熱能總和公式如下：(2-5)(2-6)其中，、、、代表任意兩能源站之間的傳輸電功率以及熱功率，包括了與當(dāng)前能源站連接的所有其他能源中心。圖2-1分布式能源站設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖1.2能源站互聯(lián)管線傳輸模型建立準(zhǔn)確的能源管網(wǎng)傳輸模型是實(shí)現(xiàn)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)內(nèi)管網(wǎng)優(yōu)化布局的關(guān)鍵，準(zhǔn)確地計算出能源站傳輸過程中的損耗，是后續(xù)選址規(guī)劃算法計算結(jié)果正確性的重要保障。由于電能傳輸與熱能傳輸特性具有較大的差異，本文在充分考慮二者區(qū)別后，對于電力傳輸線路網(wǎng)絡(luò)和熱能傳輸管網(wǎng)分別建立了基于能量損失函數(shù)的管線模型。通過能量損失函數(shù)來體現(xiàn)不同能量在分布式能源站以及用能負(fù)荷之間的傳輸過程。(1)電力線路傳輸模型考慮目前現(xiàn)有的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)園區(qū)規(guī)模，同一系統(tǒng)內(nèi)各個分布式能源站之間地理距離相對較近，因此可認(rèn)為電力線路在能量傳輸時損耗相對較小，故選取以下能量損耗模型對電力線路傳輸特性進(jìn)行建模： (2-7) (2-8)其中，為t時段能源站i通過電力線路l傳輸給能源站j的電功率，為t時段考慮電力損耗后能源站j接收到的電功率，為互聯(lián)電力線路的集合，為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部分布式能源站集合；為電力線路l的損耗函數(shù)，為能源站i與能源站j之間電力線路l的長度(m)，為電能損耗系數(shù)。(2)熱力管道傳輸模型由于熱力管道傳輸過程相對復(fù)雜，涉及相關(guān)熱力學(xué)特性的討論，為簡化計算，本文假定熱力網(wǎng)絡(luò)計算中所需各個管道參數(shù)均為非時變的常量，并且所有管道均在額定工況下運(yùn)行。由熱力潮流計算模型可知，在熱力傳輸過程中若考慮熱量損失，從能源站i到j(luò)的熱力管道p在t刻出口水溫可以通過下式計算[50]： (2-9)(2-10)其中，表示t時段流入兩DES之間傳輸管道的水溫，表示同時對應(yīng)的管道p環(huán)境溫度，代表了熱力管道保溫效果，表示兩能源站之間管道p的長度(m)，表示傳輸介質(zhì)的比熱容(J?kg-1K-1)，為t時段管道p的流量，包含了全部熱力管網(wǎng)。又根據(jù)熱能流模型，管道中t時段的水流所傳輸?shù)臒峁β士筛鶕?jù)下式計算： (2-11)其中，表示t時段管道p的水溫，聯(lián)立上述兩式，根據(jù)事先的假定，此時熱力網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)及管道均處于額定工況運(yùn)行，故。而管道種類已確定且不會變動，因此管道尺寸及相關(guān)傳輸特性中的參數(shù)可視為恒定值，從而將損耗函數(shù)線性化： (2-12) (2-13)(2-14)(2-15)