本發(fā)明涉及能源互聯(lián)網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、智能電網(wǎng)領(lǐng)域，特別涉及一種電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析方法。

背景技術(shù)：

能源是國家發(fā)展的基礎(chǔ)，近年來，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)等理念的不斷推廣，能源系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)多樣化、智能化、信息化趨勢。在由電力、天然氣和熱力系統(tǒng)共同構(gòu)成的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，能源耦合緊密，互補互濟，可實現(xiàn)能源的梯級利用和協(xié)同優(yōu)化。結(jié)合不同形式能源的供需特性，充分考慮其協(xié)同作用與彼此之間的相互影響，是提高綜合能源系統(tǒng)中能源利用效率的關(guān)鍵，一方面，不同能源具有互補特性，在經(jīng)濟性方面尤其明顯，多能協(xié)調(diào)可以有效減少能源系統(tǒng)整體經(jīng)濟成本，并具有削峰、移峰的潛力；另一方面，不同能源系統(tǒng)可通過能源耦合對彼此進行支撐，提高供能系統(tǒng)穩(wěn)定性。其中，天然氣系統(tǒng)具有易存儲、綠色清潔、安全可靠等特點；同時，隨著燃氣輪機、熱電聯(lián)產(chǎn)(Combined Heat and Power，CHP)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及對能源集線器(Energy Hub，EH)技術(shù)不斷的研究，天然氣在能源系統(tǒng)中的重要性愈加顯著。而能源系統(tǒng)彼此之間耦合不斷加強，需要深入研究其交互影響和協(xié)同優(yōu)化方法。

天然氣系統(tǒng)(Natural Gas System，NGS)與電力系統(tǒng)存在一定的相似性，在穩(wěn)態(tài)建模和潮流分析特性等方面尤其明顯，因此可以借鑒電力系統(tǒng)已有的分析思路開展研究。天然氣系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的主要差異是：前者具有大規(guī)模儲存特性且對氣質(zhì)有特殊要求，對這種差異性的分析往往是提高綜合能源系統(tǒng)供能質(zhì)量的關(guān)鍵。天然氣本身是由多種氣體成分構(gòu)成的，其氣質(zhì)在系統(tǒng)引入其他種類天然氣或出現(xiàn)新的注氣點后會發(fā)生一定變化。天然氣系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)受氣質(zhì)、結(jié)構(gòu)、壓力等因素影響，當(dāng)這些因素發(fā)生改變時，傳統(tǒng)的天然氣系統(tǒng)分析方法將難以適用。本發(fā)明將主要討論“天然氣氣質(zhì)變化”和“注氣點引入”這兩個因素對天然氣系統(tǒng)本身以及與之存在耦合關(guān)系的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)其他部分的影響，而如何構(gòu)建適用的天然氣系統(tǒng)分析模型與綜合穩(wěn)態(tài)求解框架是其中的關(guān)鍵。

現(xiàn)有技術(shù)中至少存下以下缺點和不足：目前，相關(guān)領(lǐng)域的研究者對綜合能源系統(tǒng)的討論主要集中在跨區(qū)級，此外，相關(guān)研究忽略了天然氣網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)特性，將其假定為穩(wěn)定不變的。這些方法的局限在于，上述研究對于以配電系統(tǒng)(具有三相不平衡潮流特性)、配氣系統(tǒng)(具有低壓天然氣網(wǎng)絡(luò)特性)為主體且能源耦合密切的區(qū)域級綜合能源系統(tǒng)討論相對較少，同時，由于電力轉(zhuǎn)天然氣技術(shù)(Power to Gas，P2G)等技術(shù)的應(yīng)用，天然氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)會發(fā)生改變(如天然氣氣質(zhì)改變與引入新的注氣點)，傳統(tǒng)的分析方法不再適用，具有一定的局限性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上問題，本發(fā)明提出了一種電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析方法，本方法將區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同考慮，結(jié)合能源耦合分析，有利于探究天然氣系統(tǒng)的變化對其自身以及與之耦合的系統(tǒng)的影響，是提高綜合能源系統(tǒng)供能質(zhì)量、降低能源系統(tǒng)用能成本的關(guān)鍵。

本發(fā)明提出了一種電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析方法，該方法包括以下步驟：

步驟(1)、對電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的天然氣系統(tǒng)進行建模與求解；具體包括：

讀取天然氣網(wǎng)絡(luò)信息、分布式發(fā)電單元信息和能量交互信息；

分析天然氣網(wǎng)絡(luò)特征，構(gòu)建節(jié)點導(dǎo)納矩陣；

對于天然氣系統(tǒng)中的壓力已知節(jié)點，不同壓力等級的天然氣流量公式如下所示：

(a)式適用于0-75mbar壓力范圍，(b)式適用于0.75-7.0bar壓力范圍，(c)式適用于大于7.0bar壓力范圍的情況；

其中，i與j分別為天然氣管道首末節(jié)點，q_ij為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的管道流量，p_i與p_j分別為表節(jié)點壓力，D與L為管道的直徑和長度，SG為相對密度，f為摩擦系數(shù)，Z為計算常數(shù)，T_n與p_n為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度與壓力；

步驟(2)、對天然氣系統(tǒng)進行節(jié)點壓力-負荷靈敏度分析，令天然氣節(jié)點壓力-負荷靈敏度矩陣其中，p為壓力，l為負荷；

步驟(3)、基于天然氣系統(tǒng)信息與能源交互信息，構(gòu)建以能源集線器為核心的能源耦合環(huán)節(jié)建模以及能量轉(zhuǎn)換分析，具體包括以下處理：

讀取外界環(huán)境參數(shù)與分布式產(chǎn)能單元信息；

根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)，分析能源集線器設(shè)備類型、能源交互信息與結(jié)構(gòu)特征；

構(gòu)建能源集線器轉(zhuǎn)換矩陣C與方程L＝CP，分析耦合設(shè)備交互方式；

求解x_e和x_g改變值：對耦合設(shè)備能量交互進行數(shù)值轉(zhuǎn)換；

整合能源交互信息，求解能源集線器方程；

步驟(4)、對電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)求解，在回代的過程中，以配電網(wǎng)的始端電壓和末端負荷作為已知條件，由負荷功率逐步逐段計算線路各部分的功率損耗，進而推算始端功率；在前推的過程中，以始端電壓和上述過程求得的始端功率為已知條件，以電壓降落為所求量，從線路始端向末端進行計算，進而求得各個節(jié)點的電壓。前推與回代過程重復(fù)迭代，在滿足收斂條件后停止，并輸出結(jié)果；若電力系統(tǒng)計算結(jié)果均在系統(tǒng)的合理運行區(qū)間，則計算結(jié)束輸出結(jié)果；否則，返回能源耦合環(huán)節(jié)并對其進行調(diào)整，通過循環(huán)迭代，保證電力系統(tǒng)運行在合理范圍之內(nèi)；

步驟(5)、結(jié)合天然氣系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的綜合求解信息，構(gòu)建電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析綜合求解模型，首先讀入外界環(huán)境信息；根據(jù)天然氣系統(tǒng)初始化部分以及天然氣系統(tǒng)求解部分，輸出天然氣系統(tǒng)待求變量以及天然氣系統(tǒng)壓力-負荷靈敏度矩陣；分析以能源集線器為核心的能源耦合環(huán)節(jié)，對耦合設(shè)備能量交互進行數(shù)值轉(zhuǎn)換；最后，將上述信息代入到電力系統(tǒng)計算過程，若電力系統(tǒng)計算結(jié)果均在系統(tǒng)的合理運行區(qū)間，則計算結(jié)束輸出結(jié)果；否則，返回能源耦合環(huán)節(jié)并對其進行調(diào)整，通過循環(huán)迭代，保證電力系統(tǒng)運行在合理范圍之內(nèi)；從而獲得天然氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變對其自身以及區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的影響。

1.如權(quán)利要求1所述的一種電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析方法，其特征在于，其中對電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的天然氣系統(tǒng)進行求解的過程，具體包括以下步驟“

初始化：根據(jù)天然氣網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)確定天然氣系統(tǒng)求解所需的相關(guān)參數(shù)；

利用圖論思想，構(gòu)建展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲信息的節(jié)點與支路的關(guān)聯(lián)矩陣A，其元素A_ij如下定義：

對天然氣系統(tǒng)進行描述，公式如下：

其中，為已知節(jié)點壓力，為未知節(jié)點的壓力，表示根據(jù)天然氣流量公式確定的管道流量方程；為凈負荷量，與分別某節(jié)點的天然氣注入量和消耗量。上述方程表征含義即天然氣流入某節(jié)點的量等于流出該點的量加上該點的凈負荷量；此時，將天然氣潮流問題進一步表述為根據(jù)已知信息求取壓力已知節(jié)點的流量以及流量已知節(jié)點的壓力；

借鑒電力系統(tǒng)潮流分析中的牛頓法對其進行求解，將誤差方程F表示為：

構(gòu)建天然氣系統(tǒng)的雅可比矩陣J如下所示：

其中，p_i與p_j代表節(jié)點壓力，q_ij為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的管道流量；A₁為排除壓力已知節(jié)點之外的縮減關(guān)聯(lián)矩陣，A₁^T為A₁的轉(zhuǎn)置矩陣；為未知節(jié)點的壓力。

通過構(gòu)造雅可比矩陣與牛頓-拉夫遜方法的應(yīng)用，對天然氣系統(tǒng)壓力值進行反復(fù)迭代，直至誤差方程的值小于收斂標(biāo)準(zhǔn)，輸出潮流結(jié)果。

本發(fā)明所運用的分立求解方法，對電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)整體分析，針對“以氣定電”的運行場景，探究天然氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變對其自身以及區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的影響，為能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的能源互濟與相互影響分析提供一定的理論基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)求解流程圖；

圖2為三種典型能源集線器結(jié)構(gòu)示意圖，附圖標(biāo)記：(1)、I型能源集線器、(2)、II型能源集線器、(3)、III型能源集線器；

圖3為電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)示意圖；

圖4為天然氣壓力-負荷靈敏度矩陣示意圖；

圖5為電力系統(tǒng)各相電壓幅值在天然氣系統(tǒng)注入不同氣體情況下的變化結(jié)果曲線示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

參見圖1，本發(fā)明的電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)求解思路主要分成四個部分，首先，對天然氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化進行分析，判斷是否有注氣點或氣質(zhì)的改變，根據(jù)其變化調(diào)節(jié)天然氣系統(tǒng)求解模型，并完成天然氣系統(tǒng)初始化設(shè)置，具體包括天然氣的相對密度、節(jié)點-支路關(guān)聯(lián)矩陣、摩擦系數(shù)等參數(shù)；其次，通過牛頓法對天然氣系統(tǒng)潮流方程進行求解，并根據(jù)其結(jié)果求得天然氣靈敏度矩陣；再次，結(jié)合天然氣系統(tǒng)相關(guān)信息，分析能源耦合環(huán)節(jié)能量交互方式并進行數(shù)值求解；最后，將上述信息代入到電力系統(tǒng)計算過程，對電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)求解，若電力系統(tǒng)計算結(jié)果均在系統(tǒng)的合理運行區(qū)間，則計算結(jié)束輸出結(jié)果；否則，返回能源耦合環(huán)節(jié)并對其進行調(diào)整，通過循環(huán)迭代，保證電力系統(tǒng)運行在合理范圍之內(nèi)；結(jié)合綜合求解信息，構(gòu)建電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析綜合求解模型，探究天然氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的改變對其自身以及與之耦合的電力系統(tǒng)影響。

步驟1、對電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的天然氣系統(tǒng)進行建模與求解

步驟2、對天然氣系統(tǒng)進行節(jié)點壓力-負荷靈敏度分析；

步驟3、基于天然氣系統(tǒng)信息與能源交互信息，構(gòu)建以能源集線器為核心的能源耦合環(huán)節(jié)建模以及能量轉(zhuǎn)換分析；

步驟4、對電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)求解；在電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)求解中，主要應(yīng)用前推回代的方法。具體來說，在回代的過程中，以配電網(wǎng)的始端電壓和末端負荷作為已知條件，由負荷功率逐步逐段計算線路各部分的功率損耗，進而推算始端功率；在前推的過程中，以始端電壓和上述過程求得的始端功率為已知條件，以電壓降落為所求量，從線路始端向末端進行計算，進而求得各個節(jié)點的電壓。前推與回代過程重復(fù)迭代，在滿足收斂條件后停止，并輸出結(jié)果。

步驟5、構(gòu)建電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析綜合求解模型，在此基礎(chǔ)上，探究天然氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變對其自身以及區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的影響。獲得天然氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變對其自身以及區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的影響。在該步驟中，首先讀入外界環(huán)境信息(例如分布式發(fā)電單元的出力情況)；根據(jù)天然氣系統(tǒng)初始化部分以及天然氣系統(tǒng)求解部分，輸出天然氣系統(tǒng)待求變量(例如管道流量與節(jié)點壓力)以及天然氣系統(tǒng)壓力-負荷靈敏度矩陣；分析以能源集線器為核心的能源耦合環(huán)節(jié)，對耦合設(shè)備能量交互進行數(shù)值轉(zhuǎn)換；最后，將上述信息帶入到電力系統(tǒng)計算過程，若電力系統(tǒng)計算結(jié)果均在系統(tǒng)的合理運行區(qū)間，則計算結(jié)束輸出結(jié)果；否則，返回能源耦合環(huán)節(jié)并對其進行調(diào)整，通過循環(huán)迭代，保證電力系統(tǒng)運行在合理范圍之內(nèi)。

所述步驟(1)具體為：

天然氣系統(tǒng)普遍主要存在兩種節(jié)點，一種是壓力已知節(jié)點，一般為氣源點，其壓力固定且已知，經(jīng)過該點的流量為待求量，類似于電力系統(tǒng)中的平衡節(jié)點；另一種是流量已知節(jié)點，一般為負荷節(jié)點，其壓力為待求量，類似于電力系統(tǒng)中的PQ節(jié)點(有功功率P和無功功率Q給定、節(jié)點電壓與相位待求的節(jié)點)。本步驟借鑒電力系統(tǒng)較為成熟的穩(wěn)態(tài)分析思路，對天然氣系統(tǒng)進行建模與求解，并考慮天然氣系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化(如天然氣氣質(zhì)改變與引入新的注氣點)。從天然氣系統(tǒng)建模的角度，天然氣氣質(zhì)的改變主要影響其相對密度；注氣點的引入往往需要鋪設(shè)相應(yīng)的管道連接至天然氣系統(tǒng)，這意味著在其區(qū)域范圍，天然氣系統(tǒng)的節(jié)點-支路關(guān)聯(lián)矩陣發(fā)生改變，同時也會引起相對密度的變化。

天然氣系統(tǒng)的支路可以分為不含壓縮機支路與含壓縮機支路兩種。天然氣管道兩端存在壓力降，管道流量為其待求量，與管道兩端壓力相關(guān)，其公式與管道壓力等級和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)聯(lián)。天然氣系統(tǒng)在運行中滿足流體力學(xué)質(zhì)量守恒定律與伯努利方程，基于一定假設(shè)的不同壓力等級的天然氣流量公式如下所示：

其中，(a)式適用于0-75mbar壓力范圍，(b)式適用于0.75-7.0bar壓力范圍，(c)式適用于大于7.0bar壓力范圍的情況。i與j分別為天然氣管道首末節(jié)點，q_ij為標(biāo)準(zhǔn)狀況(Standard Temperature and Pressure，STP)下的管道流量，p_i與p_j代表節(jié)點壓力，D與L為管道的直徑和長度，SG為相對密度，f為摩擦系數(shù)，Z為計算常數(shù)，T_n與p_n為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度與壓力。在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，由于天然氣壓力等級不高，往往需采用式(a)或(b)所給的低壓場景計算公式。

在天然氣系統(tǒng)的潮流求解中，首先利用圖論思想，通過構(gòu)建節(jié)點與支路的關(guān)聯(lián)矩陣A展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，其元素A_ij如下定義：

A₁為排除壓力已知節(jié)點之外的縮減關(guān)聯(lián)矩陣，這種方法較為清晰簡便且方便編程調(diào)用。

根據(jù)天然氣系統(tǒng)的壓力等級，確定上述天然氣流量公式；天然氣系統(tǒng)可通過如下式子進行描述：

其中，為已知節(jié)點壓力，為未知節(jié)點的壓力，表示根據(jù)天然氣流量公式確定的管道流量方程；為凈負荷量，與分別某節(jié)點的天然氣注入量和消耗量。上述方程表征含義即天然氣流入某節(jié)點的量等于流出該點的量加上該點的凈負荷量。此時，天然氣潮流問題可以表示進一步表述為根據(jù)已知信息求取壓力已知節(jié)點的流量以及流量已知節(jié)點的壓力。

上述式子是典型的非線性方程，對于給定的壓力初值，其左右兩邊往往并不相等，此時可借鑒電力系統(tǒng)潮流分析中的牛頓法對其進行求解，其誤差方程F為：

應(yīng)用牛頓法的關(guān)鍵是求導(dǎo)其雅可比矩陣，經(jīng)推導(dǎo)，天然氣求解方程的雅可比矩陣可以統(tǒng)一寫成上式的形式，通過構(gòu)造雅可比矩陣與牛頓-拉夫遜方法的應(yīng)用，對天然氣系統(tǒng)壓力值進行反復(fù)迭代，直至誤差方程的值小于收斂標(biāo)準(zhǔn)，輸出潮流結(jié)果。雅可比矩陣J如下所示：

其中，p_i與p_j代表節(jié)點壓力，qi_j為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的管道流量。

運用牛頓法求解天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流具有構(gòu)造清晰、適用性強等特點，該種方法需要對所求系統(tǒng)有一定的了解，給出合理的初值。經(jīng)多種算例驗證，該求解模型較為高效、穩(wěn)定。

對于含有壓縮機的支路，則采用如下方程進行分析：

R_kij＝p_j/p_i

其中，H_kij表示壓縮機所需功率，B_k為與壓縮機溫度、效率、絕熱指數(shù)相關(guān)的參數(shù)，f_k為流經(jīng)壓縮機管道的流量；R_kij為壓縮比。壓縮機運行需要額外的功率，當(dāng)該部分功率由天然氣通過燃氣輪機提供時，所消耗的天然氣流量為方程中的τ,α,β,γ為燃氣輪機燃料比率系數(shù)；壓縮機運行所需功率也可由電網(wǎng)提供。

本發(fā)明采用節(jié)點法列解天然氣系統(tǒng)的潮流方程，通過牛頓法進行方程求解，對于n節(jié)點的天然氣系統(tǒng)，當(dāng)利用牛頓法進行第k次迭代求解時，其修正方程如下所示：

其中，

為所求函數(shù)的誤差向量，為誤差方程，J^(k)為此時雅可比矩陣，為此時的修正量向量，f_NG1…f_NGn表示對應(yīng)節(jié)點1…節(jié)點n相關(guān)的天然氣方程。通過反復(fù)迭代上述式子，所求變量逐漸趨近于系統(tǒng)真實解，直至滿足收斂條件，輸出結(jié)果。通過對初值進行優(yōu)選，可用較少的迭代次數(shù)求得最終結(jié)果。

所述步驟(2)具體為：

令天然氣系統(tǒng)方程用f(p,l)＝0表示，其中，p代表壓力，l代表負荷。設(shè)天然氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行點為(p₀,l₀)，受到擾動后系統(tǒng)的運行點將變?yōu)?p₀+Δp,l₀+Δl)。為了求出p與l變化量之間的關(guān)系，在(p₀,l₀)處將f(p,l)＝0按泰勒級數(shù)展開，取一次項，得：

其中，由于f(p₀,l₀)＝0，故有：

即：

令天然氣節(jié)點壓力-負荷靈敏度矩陣又由于負荷l是定量且通常已知，則即天然氣壓力-負荷靈敏度矩陣等于天然氣系統(tǒng)潮流求解的雅可比矩陣求逆的負數(shù)。壓力-負荷靈敏度的相關(guān)信息，一方面可為天然氣系統(tǒng)注氣點的位置優(yōu)選提供幫助；另一方面，可為穩(wěn)態(tài)綜合求解中能源耦合環(huán)節(jié)的調(diào)整提供輔助信息。天然氣系統(tǒng)的節(jié)點壓力-負荷靈敏度分析可為負荷調(diào)整提供一定的理論依據(jù)。

步驟(3)具體包括：通過能源集線器模型，對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中能源轉(zhuǎn)換、分配與利用等耦合關(guān)系進行描述，將電力、天然氣、熱力等能源協(xié)同考慮；構(gòu)建含空調(diào)系統(tǒng)、微型燃氣輪機、燃氣鍋爐等元件的典型能源集線器模型；分析綜合能源系統(tǒng)運行狀態(tài)發(fā)生改變時，對能源耦合環(huán)節(jié)能量交互進行數(shù)值轉(zhuǎn)換

為了對電力-天然氣區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進行分析與求解，同時探討天然氣系統(tǒng)的變化對其自身以及與之耦合的能源系統(tǒng)的影響，本發(fā)明通過以下的實施例詳細進行技術(shù)方案的詳細描述：

參見圖2，本發(fā)明所用三種典型能源集線器即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型能源集線器，其中：

Ⅰ型能源集線器的主要元件包括變壓器(Transformer，T)、空調(diào)系統(tǒng)(Air Conditioner，AC)以及燃氣鍋爐(Gas Furnace，GF)；L_e1與L_h1表示電力需求與熱力需求，L_h1既可由GF供應(yīng)，也可通過AC轉(zhuǎn)化而來；P_e1與P_g1分別表示電力輸入與天然氣輸入，λ₁表示分配系數(shù)，即λ₁P_e1表示電力輸入分配給AC的功率；η^T、η^AC和η^GF分別表示T、AC和GF環(huán)節(jié)的能源轉(zhuǎn)化效率。由此，該能源集線器可寫成如下形式：

Ⅱ型能源集線器的主要元件包括換熱器(Heat Exchanger，HE)、壓縮機(Compressor，C)與電加熱器(Heater，H)，電力系統(tǒng)通過H進行電熱轉(zhuǎn)換，并通過C向天然氣系統(tǒng)提供能量，該部分所需功率與壓縮機壓縮比相關(guān)；L_e2與L_h2表示電力與熱力需求，L_h2既可由C供應(yīng)，也可通過H轉(zhuǎn)化而來；P_e2與P_g2分別表示電力輸入與天然氣輸入，λ₂表示分配系數(shù)，即λ₂P_e2表示電力輸入分配給C的功率；η^HE、η^C和η^H分別表示HE、C和H環(huán)節(jié)的能源轉(zhuǎn)化效率。該能源集線器可寫成如下形式：

Ⅲ型能源集線器中，主要元件為微型燃氣輪機(Micro Turbine，MT)與換熱器(Heat Exchanger，HE)。天然氣系統(tǒng)通過MT向電力系統(tǒng)供能，對其電壓水平起支撐作用；同時，MT也是天然氣系統(tǒng)的可變負荷，本文考慮其出力水平受天然氣系統(tǒng)的影響。L_e3與L_h3表示電力需求與熱力需求，L_h3由MT供應(yīng)或轉(zhuǎn)化；P_e3與P_g2分別表示電力輸入與天然氣輸入，λ₃表示分配系數(shù)，即λ₃P_e3表示電力輸入分配給MT的功率；與分別表示MT的氣轉(zhuǎn)電與氣轉(zhuǎn)熱環(huán)節(jié)的效率。該能源集線器模型可表示為：

如圖3所示的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，天然氣系統(tǒng)為改進的低壓配氣網(wǎng)絡(luò)。其中，節(jié)點1為氣源點，節(jié)點12為注氣點。該網(wǎng)絡(luò)既體現(xiàn)了配氣網(wǎng)絡(luò)集中供氣特性(節(jié)點1-8)，又體現(xiàn)出其輻射特性(節(jié)點9-11)，特殊用戶1-3經(jīng)過電驅(qū)動壓縮機301分別與節(jié)點9-11相連。特殊用戶有38mbar壓力的天然氣壓力要求，故分別在相應(yīng)支路增加壓縮機，但壓縮機變比有限制，其值取1.2-1.8，超過壓縮機最大變比系統(tǒng)容易發(fā)生故障，且用戶壓力得不到滿足。電力系統(tǒng)選取IEEE34節(jié)點三相不平衡系統(tǒng)。能源耦合環(huán)節(jié)選取上文所述的Ⅰ-Ⅲ型能源集線器。該系統(tǒng)耦合的復(fù)雜性具體體現(xiàn)在：

1)、天然氣系統(tǒng)因含不同氣質(zhì)氣體或加入注氣點而對其自身產(chǎn)生影響。

2)、不同氣質(zhì)的天然氣其熱值不同，在不同情況下，能源集線器所需天然氣功率與其對應(yīng)的流量關(guān)系也隨之變化。

3)、Ⅲ型能源集線器中的MT可對電力系統(tǒng)電壓起支撐作用，但隨著其出力的增加，天然氣系統(tǒng)壓力下降，為滿足特殊用戶壓力需求，電驅(qū)動壓縮機的變比增加，Ⅱ型能源集線器的電力輸出隨之增加，該部分功率由電力系統(tǒng)提供。

對天然氣壓力-負荷靈敏度進行分析，采用如圖4所示的節(jié)點壓力-負荷靈敏度矩陣S，矩陣元素s_x,y(x,y＝2,3,...11)表示節(jié)點x的負荷改變對節(jié)點y壓力的影響(氣源點是節(jié)點1)，每一行中加下劃線標(biāo)記的部分表示該行的最大值，即節(jié)點x負荷改變產(chǎn)生壓力影響最大的節(jié)點。由該靈敏度矩陣可知，該矩陣數(shù)值較大元素出現(xiàn)在右下角框內(nèi)，其最大值對應(yīng)節(jié)點11，這是由于節(jié)點9-11處于線路末端且由單條管道供應(yīng)，其負荷變化量對系統(tǒng)壓力有最大的影響，與網(wǎng)絡(luò)實際狀況符合；壓力-負荷靈敏度的相關(guān)信息，一方面可為天然氣系統(tǒng)注氣點的位置優(yōu)選提供幫助；另一方面，可為穩(wěn)態(tài)綜合求解中能源耦合環(huán)節(jié)的調(diào)整提供輔助信息。

考慮天然氣系統(tǒng)中引入注氣點，結(jié)合當(dāng)?shù)乜稍偕Y源的有效利用，在原有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點附近增加分布式的注氣點，并加入氫氣、升級沼氣等與不同氣質(zhì)的氣體。選取在節(jié)點3附近增加注氣點12，并加入相同流量(100m³/h)的氫氣與升級沼氣(來自P2G等可再生能源利用技術(shù))。對于天然氣系統(tǒng)，注氣點的增加意味著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及天然氣氣質(zhì)的同時改變；分別考慮：

1)、情況1：注氣點注入氫氣；

2)、情況2：注氣點注入升級沼氣；

在滿足網(wǎng)絡(luò)約束的條件下，探究此時MT在最大出力的情況下電力系統(tǒng)的節(jié)點電壓的變化。

如圖5所示，由該結(jié)果可知，在保持電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)以及能源集線器能源需求整體不變的條件下，引入分布式注氣點后天然氣系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的電壓支撐作用提升明顯。分布式注氣點的加入對節(jié)點1-3影響較小，這是由于該部分節(jié)點與其氣源點較近，其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)受到較小的改變。注氣點注入不同氣質(zhì)的氣體對天然氣系統(tǒng)影響也不同，升級沼氣的相對密度(值為0.58)較為接近原有網(wǎng)絡(luò)的相對密度(值為0.6048)，總熱值與原有網(wǎng)絡(luò)也較為接近，且該情況下天然氣系統(tǒng)對電力系統(tǒng)壓力提升效果較好；相比較而言，此時注入的氫氣相對密度(值為0.0696)與總熱值(值為12.75)較原網(wǎng)絡(luò)差別較大，雖然該情況下天然氣系統(tǒng)壓力降更小，但總熱值的偏小意味著氫氣需燃燒更多的量以滿足相同的能量需求。此外，不同地區(qū)的天然氣系統(tǒng)對氫氣的容納能力有較大區(qū)別，天然氣系統(tǒng)存在的氫氣量需控制在一定的范圍之內(nèi)。但總體來說，上述注氣點的引入改善了天然氣系統(tǒng)壓力下降水平，提高了其對電力系統(tǒng)的電壓支撐能力的上限，這對提高區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有一定的意義。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

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