能量樞紐

能量樞紐是多能源系統的重要組成部分，可容納多種形式能源的輸入和多元化的負荷類型。最佳化配置能量樞紐的設備類型和容量是保證能量樞紐安全經濟運行的基礎。

基本介紹

• 中文名：能量樞紐
• 外文名：Energy hub
• 一級學科：工程技術
• 二級學科：能源技術
• 重要性：多能源系統的重要組成部分
• 特點：對多能源系統的抽象

定義

能量樞紐是對多能源系統的抽象：認為多能源系統是一個多種形式能源輸入，多能能源輸出的雙連線埠網路，中間的能量轉換環節由耦合矩陣表示。

組成與模型

能量樞紐概念的來自於非常樸素的想法:無論一個多能源系統中電、熱、氣之間的藕合關係是多么的複雜，都需要各種形式能源的輸入，最終轉化成為其他形式的能源作為系統的輸出，於是便可以將一個多能源系統抽象成為如圖《多能源系統的輸入一輸出連線埠模型》所示的輸入一輸出雙連線埠網路，中間的方框部分即為待分析的多能源系統，利用能量樞紐抽象描述。

多能源系統的輸入一輸出連線埠模型

能量樞紐左端的P向量表示多能源系統的原始能源輸入，右端的L向量表示經過轉換後的能源輸出。因此，數學層面上的能量樞紐是一個輸入P到輸出L的一個函式：

式中函式f可以考慮到各種形式能源的傳輸、轉換、存儲等環節陣。

能量樞紐的基本組成元件主要分為三部分：能源傳導設備：不進行任何能量轉化，能夠實現能源的直接傳輸，如電纜、熱網管道、氣網管道等；能源轉換設備：實現不同能源形式之間的轉化與耦合，如燃料電池、電動機、蒸汽和燃氣輪機、內燃機、電解槽等；能源存儲設備：電池、抽蓄電站、儲熱裝置等。

作用

利用能量樞紐對多能源系統建模，實現各種形式能源的協同最佳化，將充分考慮各種形式能源的互濟與互補，產生若干直接的協同效應。從最佳化的角度來看，實現多能源系統綜合最佳化的本質是將分立的子空間最佳化問題，轉變為一個更大的全空間最佳化問題。其價值具體體現於：

（1）提高系統的經濟性：在規劃層面有，通過能源互濟實現基礎設施的高效配置，避免重複投資，降低系統投資成本;在運行層面，能夠實現能源在不同系統的梯級利用，提升能源使用效率。

（2）提升系統的靈活性:在能源的供應側，各種形式能源能夠相互轉化，在能源的消費側，用戶能夠選擇不同形式的能源達成同樣的目標，這種供給生產雙邊的多能互補增加了系統的靈活性。例如，在用電高峰階段，能源供給商能夠實現利用燃料電池發電，利用熱系統的能源供應進行製冷，從而緩解用電壓力。同樣地，這種高效自由轉化能夠平抑負荷或新能源出力的波動性。靈活的能源供應與需求有助於高滲透率新能源的高比例消納、多能源系統的碳排放減低等。

（3）增加系統的可靠性：多能源系統將豐富能源的供應渠道，一方面能夠各種能源能夠通過傳導設備直接傳輸到消費側，另一方面還可以通過其他能源形式的轉化實現能源的供給。在其中一種傳輸途徑出現故障時能夠利用其他途徑進行補充，形成各種形式能源的互濟，提高供能可靠性。

（4）挖掘系統的互補性：多能源系統能夠使各子能源系統取長補短。例如，通過電力系統實現能源的高速、低損、遠距離傳輸，而通過熱力系統、燃氣系統實現能源的大規模存儲，平抑能源供應的波動性。

能量樞紐研究展望

（1）考慮動態及時延特性的能量樞紐統一模型

當前對於能量樞紐的建模已經考慮了能源系統中可能出現的各種元素，包括儲能、需求回響、新能源接入等，也對能量樞紐中不同能源轉化設備如CHP、CCHP、PEV、PHEV、電解槽等進行了細緻的建模。然而現有的建模還存在一定的局限性，可能需要以下兩個方面的研究。首先，現有能量樞紐建模基本是基於能源轉化設備穩態模型的，考慮了能量的分配、轉換效率等各種因素，然而對能量樞紐中設備的動態過程可能帶來的約束欠缺考慮，例如CHP存在的可運行區間約束、機組可能存在的穩定極限約束、熱傳導過程中存在的時延約束、能量樞紐在運行過程中多時段存在的藕合關聯約束等。

（2）能量樞紐的不確定性分析方法

在建模過程中需要進一步研究能量樞紐輸入、內部轉化、輸出等各個環節和外界的耦合關係和不確定性，除新能源出力、用戶用能存在不確定性外，還可能有外界溫度不確定性對熱管道傳輸效率的影響、能源轉換設備本身的隨機停運率等，這些不確定性的建模與研究將使能量樞紐在多能源系統的套用分析中對各因素考慮得更加全面。

（3）基於能量樞紐的多能源系統的安全可靠性

能量樞紐涉及到能源的生產、傳輸、轉化、供應等多個環節，保障和評估其可靠性具有重要的意義。對於電力系統、熱力系統等的安全可靠性評估的研究已經相對完善，但當多種形式能源系統相互耦合時，能量樞紐的可靠性評估需要充分考慮各種形式能源之間的互濟、各種能源轉化設備本身的可靠性等各中因素。如何將電力系統、熱電系統等已有的可靠性評估模型與方法套用於能量樞紐的可靠性評估中去是一個函待解決的問題。

（4）網際網路時代的能量樞紐商業模式研究

我國正在積極推進能源網際網路的研究與建設，能源網際網路除多能源系統的物理基礎，還需要信息物理系統的集成和能源運營模式的創新，這兩方面都將給能量樞紐的最佳化運行帶來挑戰。首先，能量樞紐能源網際網路時代下將出現以居民、樓宇、工廠、電廠為主體的大量能量樞紐單元，其相互之間的最佳化需要較為發達的通信系統。需要通過構架雲調度平台，實現不同能量樞紐之間的自由通信，同時研究多能量樞紐存在時的分散式最佳化算法將在一定程度上實現多能源系統的區域自治，從而實現能源系統的生態化。另外，隨著售電側等各種能源市場的開放，寬鬆的能源交易市場將使能量樞紐的運行最佳化變得更加的複雜，需要考慮到市場能源價格、實時能源需求、用戶用能行為等各種因素，新的商業模式將會為能量樞紐帶來新的運行和最佳化問題。