徐飛，郝玲*，陳磊，田冉，魏名山，陳群，閔勇

（1.清華大學(xué)電機(jī)系（電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），北京市 海淀區(qū) 100084；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京市 海淀區(qū) 100081；3.清華大學(xué)工程力學(xué)系（熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），北京市 海淀區(qū) 100084）

0 引言

電熱綜合能源系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的綜合能源系統(tǒng)類型之一，電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)二者運(yùn)行特性互補(bǔ)，是未來實(shí)現(xiàn)高比例可再生能源接入電網(wǎng)的重要應(yīng)用場景與載體[1-2]。電熱綜合能源系統(tǒng)一直未有十分清晰的定義，從綜合能源系統(tǒng)的定義可知，電熱綜合能源系統(tǒng)即為集電/熱能生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、利用于一體的綜合能源系統(tǒng)。熱電聯(lián)產(chǎn)和冷熱電聯(lián)供是較早出現(xiàn)的電熱綜合能源系統(tǒng)的形式，熱力發(fā)電也是一種熱力系統(tǒng)，由于發(fā)電循環(huán)可以歸入電力系統(tǒng)，故電熱綜合能源系統(tǒng)可理解為由常規(guī)火電、風(fēng)/光/水電等電力系統(tǒng)與集中供熱系統(tǒng)、區(qū)域供冷系統(tǒng)及儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷等典型熱力系統(tǒng)耦合而成[3]，如圖1所示。

圖1 電熱綜合能源系統(tǒng)示意圖Fig.1 Integrated electrcity and heat energy systems

在可再生能源未大規(guī)模接入電網(wǎng)前，電熱綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化主要以供給側(cè)的協(xié)調(diào)為主體，即協(xié)調(diào)發(fā)電機(jī)組、電網(wǎng)與集中供熱熱源的運(yùn)行，其主要目的為提高能源效率等，對(duì)集中供熱系統(tǒng)、區(qū)域供冷系統(tǒng)的熱力管網(wǎng)、熱用戶、換熱器等部件的運(yùn)行管理較為粗放，熱力管網(wǎng)及熱用戶等部件的運(yùn)行特性也很少被納入系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度范疇。隨著高比例可再生能源接入電網(wǎng)，熱電聯(lián)產(chǎn)以熱定電的模式制約了電力系統(tǒng)的靈活性，僅從發(fā)電和供熱的供給端調(diào)節(jié)不能適應(yīng)可再生能源大規(guī)模接入的發(fā)展形勢(shì)，故從熱力管網(wǎng)、換熱器、熱用戶等熱力傳輸及負(fù)荷環(huán)節(jié)中尋求新的調(diào)節(jié)能力提升方式的研究需求日益迫切[4]，電熱協(xié)調(diào)的范圍已逐漸從能源供給側(cè)擴(kuò)展到傳輸側(cè)、負(fù)荷側(cè)等。

利用熱力管網(wǎng)熱慣性提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的具體原理是：熱源與熱用戶間存在一定的空間距離，則管網(wǎng)熱源處的高溫?zé)崦剿杞?jīng)過一定的“熱量傳輸延遲”才能到達(dá)熱用戶。也就是說，熱量從熱源傳遞到熱用戶期間，相當(dāng)于將這部分熱量“儲(chǔ)存”在管網(wǎng)中，使得管網(wǎng)具備一定的被動(dòng)儲(chǔ)熱能力[5]。與促進(jìn)新能源消納的主動(dòng)儲(chǔ)熱技術(shù)效果類似，被動(dòng)儲(chǔ)熱可打破供熱量與熱負(fù)荷實(shí)時(shí)平衡的剛性約束，提高電熱綜合能源系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，促進(jìn)可再生能源消納[6]。該方法是對(duì)已有的管網(wǎng)運(yùn)行方式進(jìn)行改進(jìn)，無需增加額外的設(shè)備投資，也無需對(duì)現(xiàn)有發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行大的調(diào)整[7-8]，在可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性等方面具有優(yōu)勢(shì)[9]，故逐漸受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[10]。文獻(xiàn)[11]建立了管道熱媒水熱量傳輸過程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并將其納入電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型，結(jié)果表明考慮供熱管道在電力調(diào)度中的傳輸延遲可使得風(fēng)電消納提升35.5%。文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn)在電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度中考慮供熱管網(wǎng)的天然儲(chǔ)熱能力可使風(fēng)電消納提升12.31%。

總地來說，將熱力管網(wǎng)納入電熱綜合能源系統(tǒng)調(diào)度、并對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化管理可以提升可再生能源消納量，同時(shí)還可滿足用戶日益升高的熱舒適性需求[13-14]，但是，這給電力、熱力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)[15-16]。在集中供熱系統(tǒng)研究領(lǐng)域，熱力管網(wǎng)的水力及熱力計(jì)算并不是新問題，已有較成熟的仿真模型，運(yùn)行調(diào)節(jié)機(jī)制也較為完善，但將其納入電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化模型后則出現(xiàn)算法兼容性差、管網(wǎng)及其他重要元件模型精度低、計(jì)算復(fù)雜程度高等問題[17-18]，目前已有的計(jì)及熱力管網(wǎng)的電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化模型所考慮的因素各異，仍未形成統(tǒng)一的模型[19]。具體存在三方面問題：第一，熱力管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)熱量傳輸模型是非線性方程，大多采用數(shù)值方法求解，難以與電力系統(tǒng)算法兼容；第二，熱力管網(wǎng)屬于熱量傳輸環(huán)節(jié)，考慮其瞬態(tài)模型意味著要同時(shí)考慮與熱力管網(wǎng)密切相關(guān)的熱用戶、換熱器等關(guān)鍵部件的運(yùn)行特性，這些多參數(shù)、時(shí)延性、非線性的熱力系統(tǒng)模型給計(jì)算進(jìn)一步帶來難度；第三，熱力管網(wǎng)具備獨(dú)立的運(yùn)行調(diào)節(jié)機(jī)制，當(dāng)電力系統(tǒng)與熱力管網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化時(shí)，熱力管網(wǎng)原運(yùn)行模塊仍發(fā)揮作用，在實(shí)現(xiàn)電熱綜合能源協(xié)調(diào)優(yōu)化時(shí)必須將熱力系統(tǒng)自身運(yùn)行模式納入考慮，僅以電力系統(tǒng)性能為指標(biāo)會(huì)導(dǎo)致分析偏差。以下從熱力管網(wǎng)動(dòng)態(tài)建模、其他關(guān)鍵部件建模及熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行三方面對(duì)已有研究展開回顧。

1 熱力管網(wǎng)動(dòng)態(tài)建模

本文提到的熱網(wǎng)熱量傳輸模型是基于能量守恒定律建立的，可同時(shí)適用于一次網(wǎng)、二次網(wǎng)。是否在電熱綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化中考慮一次網(wǎng)、二次網(wǎng)模型取決于具體案例。通常一次網(wǎng)連接熱源與換熱站，供熱半徑較大；二次網(wǎng)連接換熱站與熱用戶，而供熱站位置的選取以距離熱用戶較近為原則，二次網(wǎng)較短。故二次網(wǎng)的熱量傳輸延遲很短，其對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)度的影響極小，本文述及的電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化通常僅以長度較大、熱慣性較強(qiáng)的一次網(wǎng)為重點(diǎn)，但并不絕對(duì)，針對(duì)二次網(wǎng)也較長的案例，則需同時(shí)考慮一次網(wǎng)、二次網(wǎng)的熱量傳輸延遲。

1.1 傳統(tǒng)熱力模型

熱力管網(wǎng)的非穩(wěn)態(tài)熱力模型可為熱力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)、電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化提供精確約束[20-21]，包含兩部分：第一是管道的熱量傳輸動(dòng)態(tài)模型，用于求解沿途熱損失與傳輸時(shí)延；第二是網(wǎng)絡(luò)的水力與熱力拓?fù)淠Ｐ停糜谇蠼飧骶W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量、熱量的分流與匯流過程。管道熱量傳輸動(dòng)態(tài)模型是復(fù)雜熱力管網(wǎng)建模的基礎(chǔ)：文獻(xiàn)[22-23]從20世紀(jì)90年代研究集中供熱系統(tǒng)管網(wǎng)水力、熱力模型，首先在能量守恒定律的基礎(chǔ)上，列出管道熱量傳輸動(dòng)態(tài)特性微分方程，見式（1），其初始條件與邊界條件見式（2），并提出了元素法（element method）與節(jié)點(diǎn)法（node method）兩種數(shù)值解法，見式（3）、式（4）；其次將管道的方程代入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嚪匠踢M(jìn)行求解；最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這兩種方法具有較高的精度[24-26]。元素法中逐時(shí)出口溫度是通過逐時(shí)進(jìn)口溫度與各節(jié)點(diǎn)初始溫度計(jì)算的，而節(jié)點(diǎn)法的逐時(shí)出口溫度的數(shù)值解是關(guān)于初始溫度與一定時(shí)刻之前的進(jìn)口溫度的函數(shù)。這兩種數(shù)值解法精度較高，但是具有高度的非線性，內(nèi)在參數(shù)關(guān)系復(fù)雜。

式中：φ為管內(nèi)熱流體的過余溫度，K；Tw、Ts分別為熱流體與管外周圍土壤的溫度，K；v為流體速度，m/s；a為熱流體向土壤的散熱系數(shù)，W·m-2·K-1；t、x分別為時(shí)間項(xiàng)與空間項(xiàng)，s、m。

式中：φ0(x)、φi(t)分別表示管內(nèi)熱流體的初始溫度與各時(shí)刻進(jìn)口溫度，即式(1)的初始條件與邊界條件。

元素法的基本數(shù)值離散格式見式（3）。

式中：i、j分別表示離散的空間節(jié)點(diǎn)與時(shí)間節(jié)點(diǎn)；(j+1)代表時(shí)刻節(jié)點(diǎn)j的下一時(shí)刻；(i-1)代表空間節(jié)點(diǎn)i的上一節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)法的基本數(shù)值解表達(dá)式見式（4）。

文獻(xiàn)[27]借鑒元素法，建立了雙管道的熱量傳輸微分方程，并采用數(shù)值方法求解得到單根管道出口水溫隨進(jìn)口水溫的動(dòng)態(tài)變化曲線；在此基礎(chǔ)上，并未建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，而是結(jié)合流量-負(fù)荷等經(jīng)驗(yàn)公式得到熱力管網(wǎng)出口水溫的延遲特性。文獻(xiàn)[28]研究了熱水供熱管道動(dòng)態(tài)熱力工況，依據(jù)能量守恒定律，采用集總參數(shù)法針對(duì)管道熱量傳輸過程建立了瞬態(tài)模型，分別提出單獨(dú)考慮熱損失的管網(wǎng)“散熱模型”與同時(shí)考慮散熱效應(yīng)與儲(chǔ)熱特性的“蓄熱模型”，并采用數(shù)值解法進(jìn)行求解。

以上傳統(tǒng)數(shù)值解法求解的熱傳輸延遲時(shí)間精度較高，在熱力系統(tǒng)內(nèi)已被廣泛應(yīng)用。但是將其納入現(xiàn)有電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度則出現(xiàn)問題?，F(xiàn)有電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型中主要包含發(fā)電機(jī)組約束、電網(wǎng)傳輸約束等。其中，用于求解電網(wǎng)傳輸特性的潮流模型通常采用電網(wǎng)等值計(jì)算方法，先將復(fù)雜電網(wǎng)轉(zhuǎn)化為等值電路，并建立相應(yīng)的導(dǎo)納矩陣方程，最后對(duì)該方程進(jìn)行求解。以圖2的電路為例，其潮流方程和導(dǎo)納矩陣分別如式（5）、式（6）所示。

式中：下角標(biāo)i=1～n表示節(jié)點(diǎn)序號(hào)；I表示節(jié)點(diǎn)電流；V表示節(jié)點(diǎn)電壓；Y表示節(jié)點(diǎn)間的導(dǎo)納值。

圖2 簡單電路案例Fig.2 Example of a simple electrical circuit

可以看出，式（5）為線性化矩陣方程。方程中I與V僅有一組量未知，導(dǎo)納矩陣Y為該方程的系數(shù)。導(dǎo)納是電導(dǎo)和電納的統(tǒng)稱，用來表征節(jié)點(diǎn)電壓與電流間的定量關(guān)系，反映了交流電通過電路或系統(tǒng)時(shí)的困難程度。在電力電子學(xué)中導(dǎo)納定義為阻抗的倒數(shù)值。該方程為線性、代數(shù)約束，可直接代入優(yōu)化調(diào)度模型中進(jìn)行求解。

由于熱力系統(tǒng)模型的求解主要采用數(shù)值解法，數(shù)值解形式如式（3）、式（4）所示，數(shù)值迭代過程引入了大量中間節(jié)點(diǎn)溫度（除全時(shí)刻進(jìn)口溫度與出口溫度以及初始溫度以外的其他溫度，都為中間節(jié)點(diǎn)溫度），內(nèi)在參數(shù)關(guān)系復(fù)雜；這導(dǎo)致現(xiàn)有熱力模型無法與電力調(diào)度系統(tǒng)通用的線性化模型兼容。此外，實(shí)際場景中復(fù)雜管網(wǎng)的熱量傳輸模型比單根管道的情形非線性程度更高，進(jìn)一步為電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化帶來難度。因此，有必要從模型算法及物理意義的角度實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)模型與電力系統(tǒng)優(yōu)化模型的統(tǒng)一。

1.2 適用于電力系統(tǒng)調(diào)度的熱力管網(wǎng)模型

為解決上述問題，電力系統(tǒng)的學(xué)者將其進(jìn)行適當(dāng)簡化。文獻(xiàn)[29]提出將管網(wǎng)熱量傳輸?shù)臅r(shí)延與熱損失拆分計(jì)算，用動(dòng)態(tài)模型計(jì)算延遲，熱損失則采用穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算，見式（7）；再將兩個(gè)結(jié)果組合代入電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，精度較原始模型有所降低，但計(jì)算便利。文獻(xiàn)[30-31]對(duì)節(jié)點(diǎn)法模型進(jìn)行改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上提出了熱量傳輸?shù)木€性化模型，基于改進(jìn)的節(jié)點(diǎn)法建立了計(jì)及管網(wǎng)的電熱聯(lián)合調(diào)度模型。文獻(xiàn)[32]建立了考慮供熱管網(wǎng)改進(jìn)節(jié)點(diǎn)法模型、用戶熱舒適性柔性約束的電熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，結(jié)果表明該模型可通過電-熱供需曲線的平移與最優(yōu)匹配，實(shí)現(xiàn)可再生能源消納水平的大幅提升。然而，改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)法模型與電力系統(tǒng)兼容性好，但計(jì)算時(shí)刻不能從0時(shí)刻起始，精度較傳統(tǒng)數(shù)值解法略低。

式中：Tout、Tin分別代表管道出口與進(jìn)口水溫，K；Ts代表土壤溫度，K；λ為管道的單位長度的換熱系數(shù)，W·m-1·K-1；L為管道軸向長度，m；m為質(zhì)量流量，kg·s-1；cp為熱流體的比熱容，J·kg-1·K-1。

文獻(xiàn)[33]借鑒節(jié)點(diǎn)法思路，采用統(tǒng)一能路方法，將熱力管網(wǎng)動(dòng)態(tài)熱力過程比擬為類似于電路的“熱路”模型，使方程形式統(tǒng)一為矩陣形式，為熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化提供模型基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[34]在節(jié)點(diǎn)法基礎(chǔ)上，對(duì)方程進(jìn)行拉普拉斯變換，并將供熱管道比擬為包含電阻、電容、電感的電路，如圖3所示。據(jù)此得到的出口溫度關(guān)于進(jìn)口溫度的代數(shù)方程，如式（8）所示。該熱網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型可用于電力系統(tǒng)調(diào)度，但其主要用于求解大于τ時(shí)刻后的出口溫度變化曲線，小于τ時(shí)刻的溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律則不易掌握。

圖3 供熱管網(wǎng)熱量傳輸用等效電路[34]Fig.3 Equivalent circuit of the district heating pipe in Ref.[34]

式中：T是流體溫度，K；x是管內(nèi)某點(diǎn)到進(jìn)口的距離，m；t是時(shí)間，s；τ是流體從進(jìn)口流至出口所需時(shí)間，s；ρ是流體密度，kg·m-3；A是管道橫截面積，m2；m是流體質(zhì)量流量，kg·s-1。

文獻(xiàn)[35]等基于能量守恒定理建立了熱力管網(wǎng)的熱量傳輸動(dòng)態(tài)微分方程，借鑒電磁暫態(tài)理論中的諾頓等值計(jì)算方法，提出熱電比擬電路與等效熱電路，見圖4—圖5。圖4中的T1、T2等分別表示各連續(xù)流體微元的溫度；E1～En表示各流體微元間由于對(duì)流導(dǎo)致的溫度增加；Ts表示周圍土壤溫度；R1～Rn表示各流體微元與外界的熱阻；C1～Cn表示各流體微元自身的內(nèi)能儲(chǔ)存。圖5中的q1表示由于溫度變化而存儲(chǔ)在流體微元中的熱能，q2表示節(jié)點(diǎn)(i-1,j)和(i,j)之間的熱流量，q3是節(jié)點(diǎn)(i,j+1)到土壤的熱損失。

圖4 供熱管網(wǎng)初步熱電比擬圖[35]Fig.4 Electricity-thermal-analogue circuit of district heating pipe in Ref.[35]

圖5則借鑒電磁暫態(tài)諾頓等值計(jì)算方法，將圖4中的熱網(wǎng)熱量傳輸?shù)臒犭姳葦M圖進(jìn)一步簡化，省略中間溫度，實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型的線性化。具體過程是，將q2分解為q2a與q2b，則可將圖4所示的比擬電路轉(zhuǎn)換為僅包含上一節(jié)點(diǎn)在上一時(shí)刻的溫度，依次類推則可將出口溫度表示為僅關(guān)于進(jìn)口溫度與初始溫度的函數(shù)，中間節(jié)點(diǎn)溫度被省略，最終建立了出口溫度關(guān)于進(jìn)口水溫的線性化矩陣方程，如式（9）所示。由于Ai、Bj是關(guān)于流體流動(dòng)參數(shù)及管道結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，屬已知量，故該模型可直接用于電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化。

圖5 熱網(wǎng)等效熱電路[35]Fig.5 Thermal-electrical-analogy equivalent model of the heating pipes in Ref.[35]

式中：Tout,nΔτ表示第n個(gè)時(shí)間間隔Δτ處的出口溫度，K；T為流體微元溫度，K；下標(biāo)i和j分別表示空間節(jié)點(diǎn)和時(shí)間節(jié)點(diǎn)；m為管道的空間節(jié)點(diǎn)數(shù)；則Ti,0表示空間節(jié)點(diǎn)i的初始溫度，K；Tin,j表示進(jìn)口在時(shí)間節(jié)點(diǎn)j的溫度，K。

上述兩種方法都是從熱力學(xué)原理出發(fā)，結(jié)合電力系統(tǒng)算法，借助數(shù)學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)了電熱模型物理意義與形式的化歸統(tǒng)一，兼具精度與兼容性，為熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化提供良好的模型基礎(chǔ)。但要實(shí)現(xiàn)電、熱兩個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行管理，僅完成兼容性高的模型還是不夠的，還需將與熱力管網(wǎng)運(yùn)行密切相關(guān)的其他部件、以及管網(wǎng)自身運(yùn)行機(jī)制融入電力系統(tǒng)調(diào)度，通過優(yōu)化運(yùn)行效果的優(yōu)劣檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃浴?/p>

2 電熱協(xié)調(diào)中其他關(guān)鍵部件建模

集中供熱（供冷）系統(tǒng)包含熱（冷）源、熱用戶、熱力管網(wǎng)及水泵等輔助動(dòng)力裝置，其中熱力管網(wǎng)作為集中供熱系統(tǒng)的核心元件，不能將其孤立出來納入電力調(diào)度中，而應(yīng)將其與區(qū)域能源系統(tǒng)中的其他關(guān)鍵部分（包括換熱器、回水管網(wǎng)集水器以及熱用戶等）[36]一并考慮。

針對(duì)換熱器，文獻(xiàn)[37]在電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型中考慮了一次網(wǎng)與二次網(wǎng)換熱過程的約束。文獻(xiàn)[38-39]將熱力管網(wǎng)水力及熱力模型納入電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化，重點(diǎn)分析了熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)的耦合優(yōu)化運(yùn)行效果，但是其供水溫度是在給定換熱量與回水溫度的條件下求解的，未考慮換熱器換熱過程約束，導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際換熱過程存在一定偏差。

針對(duì)熱用戶，文獻(xiàn)[40]為重點(diǎn)分析電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行效果，直接給定用戶熱負(fù)荷，雖然有利于分析整體效果，但是未對(duì)熱用戶穩(wěn)態(tài)換熱過程進(jìn)行全面分析，即未考慮二次網(wǎng)與用戶、用戶與室外環(huán)境的換熱過程，無法根據(jù)室外溫度和供水溫度求得用戶室內(nèi)溫度。另外，給定各時(shí)刻熱負(fù)荷為確定值，根據(jù)建筑供暖標(biāo)準(zhǔn)，滿足用戶熱舒適性的室內(nèi)溫度可在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，給定熱負(fù)荷則導(dǎo)致用戶室內(nèi)溫度從一段區(qū)間縮小為一個(gè)點(diǎn)，為評(píng)估管網(wǎng)所能提供的調(diào)節(jié)能力帶來分析偏差。文獻(xiàn)[41]將柔性熱負(fù)荷納入其電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，并研究了熱負(fù)荷波動(dòng)對(duì)可再生能源消納、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱出力的影響規(guī)律，結(jié)果較可靠。

針對(duì)回水管網(wǎng)集水器，文獻(xiàn)[29]建立了回水節(jié)點(diǎn)的溫度混合模型，符合實(shí)際情景。文獻(xiàn)[42]提出了計(jì)及回水管網(wǎng)熱損失的熱力系統(tǒng)潮流前推回代算法，不僅考慮了回水混合過程，而且將回水在傳輸過程中的熱損失計(jì)入混合過程，具有較高的計(jì)算精度，研究結(jié)果表明回水管網(wǎng)熱損失較大，若忽略將會(huì)造成優(yōu)化結(jié)果的偏差（回水管網(wǎng)向周圍土壤的散熱通常小于供水管網(wǎng)，但是忽略該傳輸延遲與熱損失會(huì)造成回水溫度計(jì)算值高于實(shí)際值、計(jì)算供熱量小于實(shí)際所需值；為降低計(jì)算偏差，則不可忽略回水管網(wǎng)的熱量傳輸特性）。

與管網(wǎng)運(yùn)行密切相關(guān)的各關(guān)鍵部分運(yùn)行特性建模是影響熱力管網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的重要因素，在構(gòu)建電熱協(xié)調(diào)模型過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)其予以充分考慮，以為實(shí)際的系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行提供準(zhǔn)確的運(yùn)行邊界。

3 熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行研究

在完成熱力管網(wǎng)和與熱力管網(wǎng)密切相關(guān)的關(guān)鍵部件建模后，最終目的是將其納入電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)電熱協(xié)調(diào)運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化，僅單一地考慮電力或者熱力系統(tǒng)性能是不足的，最終要從運(yùn)行層面建立協(xié)調(diào)運(yùn)行策略與綜合性能指標(biāo)。熱力管網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式研究比較成熟，但是在電熱綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行中對(duì)熱力管網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)機(jī)制考慮還不全面，下面對(duì)電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化中熱力管網(wǎng)的質(zhì)、量調(diào)節(jié)與溫度反饋調(diào)節(jié)機(jī)制的研究方法進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 管網(wǎng)流量調(diào)節(jié)的研究方法

熱力管網(wǎng)主要采用質(zhì)調(diào)節(jié)、量調(diào)節(jié)、分階段變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)、質(zhì)量并調(diào)以及間歇調(diào)節(jié)等5種傳統(tǒng)方式[43-44]。其中，質(zhì)調(diào)節(jié)僅調(diào)節(jié)管網(wǎng)熱媒水供水溫度，量調(diào)節(jié)僅調(diào)節(jié)熱媒水流量，其他3種調(diào)節(jié)方式則是針對(duì)不同類型供熱場景的細(xì)分調(diào)節(jié)方式[45]。這幾種調(diào)節(jié)方式本質(zhì)上都是對(duì)溫度和流量進(jìn)行穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)（如圖6所示），未在管網(wǎng)調(diào)節(jié)中對(duì)管網(wǎng)熱量傳輸動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行深入分析。僅考慮穩(wěn)態(tài)模型導(dǎo)致熱量傳輸延遲被忽略，無法實(shí)時(shí)保證用戶熱舒適性[46]，故管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行調(diào)節(jié)仍然是研究熱點(diǎn)[47-48]。

電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化方法考慮了熱量傳輸動(dòng)態(tài)特性，但是為了簡化分析，僅考慮質(zhì)調(diào)節(jié)機(jī)制，未考慮流量調(diào)節(jié)[49]。導(dǎo)致流量對(duì)于熱量傳輸延遲等動(dòng)態(tài)特性的影響被忽略[50]：傳統(tǒng)管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)量調(diào)節(jié)的主要目的僅在于改變循環(huán)泵功，對(duì)供熱量的影響幾乎不予考慮[51]，然而在實(shí)際的動(dòng)態(tài)電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行中，改變流量對(duì)管網(wǎng)熱量傳輸特性影響較大，而熱量傳輸動(dòng)態(tài)特性對(duì)逐時(shí)供熱量、用戶熱舒適性以及電熱綜合能源系統(tǒng)中的可再生能源消納量有較大影響。因此，有必要將流量納入動(dòng)態(tài)的管網(wǎng)調(diào)節(jié)與電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化中，分析電熱綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵性能參數(shù)即風(fēng)電消納量、供熱量、用戶熱舒適性隨流量的變化趨勢(shì)及內(nèi)在原因，以尋求使系統(tǒng)綜合性能達(dá)到最優(yōu)的熱媒水流量值。

3.2 管網(wǎng)溫度反饋調(diào)節(jié)機(jī)制的研究方法

圖6 熱力管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)示意圖Fig.6 Sketch of the operation and regulation mechanism for district energy network

目前文獻(xiàn)中將管網(wǎng)模型納入電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化的主要目的在于分析考慮熱量傳輸延遲對(duì)于可再生能源消納的促進(jìn)作用，但對(duì)熱力管網(wǎng)自身運(yùn)行調(diào)節(jié)的影響探討不足。以文獻(xiàn)[4]為例，該研究建立了考慮管道熱量傳輸動(dòng)態(tài)特性的電熱聯(lián)合優(yōu)化模型，以分析熱力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的整體影響，對(duì)比分析了在系統(tǒng)調(diào)度中考慮熱損失與不考慮情形下的風(fēng)電消納量，得出了對(duì)照組（系統(tǒng)調(diào)度中不考慮管網(wǎng)熱損失）比實(shí)驗(yàn)組（精確考慮管網(wǎng)熱損失）的供熱量低，風(fēng)電消納量大的結(jié)論。該結(jié)論的趨勢(shì)與常理不同（精確的管道熱損失模型反而會(huì)導(dǎo)致棄風(fēng)量增大），導(dǎo)致結(jié)果偏離的原因就在于用于保證用戶熱舒適性的溫度反饋調(diào)節(jié)機(jī)制未被考慮。

盡管熱力系統(tǒng)目前的運(yùn)行處于粗放控制階段，在熱力調(diào)節(jié)中未對(duì)熱量傳輸延遲時(shí)間定量考慮，但是實(shí)際管網(wǎng)運(yùn)行中通常設(shè)有室溫或回水測(cè)溫反饋裝置，一旦一次網(wǎng)回水溫度過低，就意味著供熱量小于用戶熱負(fù)荷，管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)中心隨即增大熱源供熱量，以充分保證用戶熱舒適性?？梢酝茢啵绻谖墨I(xiàn)[4]中考慮管網(wǎng)自身溫度反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，那么在供熱計(jì)劃中不考慮熱損失就會(huì)導(dǎo)致供熱量不足，回水溫度低于預(yù)期溫度，供熱調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)收到溫度反饋后，會(huì)下發(fā)提高供熱量的指令，實(shí)際供熱量會(huì)比計(jì)劃值高。也就是說，不考慮熱損失情形的供熱量可能與考慮熱損失的情形相同。因此，將熱力管網(wǎng)自身的溫度反饋調(diào)節(jié)機(jī)制納入電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化是準(zhǔn)確評(píng)估熱力管網(wǎng)對(duì)提升清潔能源消納所起作用的前提。

4 總結(jié)

本文梳理了利用熱力管網(wǎng)熱慣性提升電熱綜合能源系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的研究進(jìn)展，從熱力管網(wǎng)動(dòng)態(tài)建模、其他關(guān)鍵部件建模以及熱力管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)機(jī)制方面進(jìn)行回顧分析，得到3個(gè)結(jié)論。第一，熱力管網(wǎng)動(dòng)態(tài)建模是實(shí)現(xiàn)電熱協(xié)調(diào)優(yōu)化的基礎(chǔ)；目前提出的等效熱電路法、能路法均具備良好精度與兼容性佳的優(yōu)勢(shì)，已初步解決了熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)計(jì)算不兼容的問題，但各類建模方法的有效性和可靠性尚需通過后續(xù)協(xié)調(diào)優(yōu)化效果檢驗(yàn)。第二，目前研究較少對(duì)與管網(wǎng)運(yùn)行密切相關(guān)的換熱器、熱用戶及回水管網(wǎng)集水器等部件進(jìn)行考慮，極大程度影響電熱綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化結(jié)果的合理性，故還需在后續(xù)研究中補(bǔ)充完善。第三，要發(fā)揮電熱綜合能源系統(tǒng)中熱力管網(wǎng)潛在的調(diào)節(jié)能力，僅單一地將熱力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性納入電力系統(tǒng)運(yùn)行是不足的，還需考慮熱力管網(wǎng)自身運(yùn)行調(diào)節(jié)機(jī)制，包括流量調(diào)節(jié)與溫度反饋調(diào)節(jié)，最終從運(yùn)行層面建立電熱協(xié)調(diào)運(yùn)行策略與電熱系統(tǒng)綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

總之，熱力管網(wǎng)與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制是實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)、滿足居民日益提高的熱舒適性需求的有效手段。在實(shí)現(xiàn)過程中，并不能只著眼于電力系統(tǒng)或者熱力系統(tǒng)的局部，更要厘清學(xué)科內(nèi)建模及優(yōu)化運(yùn)行的方法，再跳出學(xué)科、實(shí)現(xiàn)學(xué)科間理論的交叉融合。不僅要實(shí)現(xiàn)電力、熱力系統(tǒng)模型的兼容性，還要綜合考慮熱力管網(wǎng)自身優(yōu)化運(yùn)行原則與電力系統(tǒng)調(diào)度方法，真正實(shí)現(xiàn)供給側(cè)、負(fù)荷側(cè)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、儲(chǔ)能側(cè)的協(xié)調(diào)運(yùn)行與最優(yōu)資源配置。