基于区域方法的多源环状供热系统（MSL-DHS）功率灵活性量化

《CSEE Journal of Power and Energy Systems》：Quantifying Power Flexibility of Multisource Looped District Heating System Using Region-Based Method

　　

多源环状供热系统（MSL-DHS）具备通过耦合单元向电力系统（EPS）提供功率灵活性的潜力。与单热源供热系统不同，MSL-DHS包含多个耦合单元。通过协调耦合单元与供热网络，各耦合单元的热源侧可相互补偿，从而产生大量用于提供灵活性的运行组合。量化MSL-DHS的灵活性需要刻画多个耦合单元间的相互耦合特性，并处理非线性水力模型。针对这一问题，研究人员提出一种功率灵活性区域（PFR）方法，用于量化MSL-DHS的功率灵活性。将MSL-DHS模型的可行域投影到耦合单元功率输出/输入的变量空间，构建PFR模型；建立非凸非线性规划（NLP）边界点搜索模型以计算PFR；提出一种基于重构分段McCormick包络的全局优化算法，以提高计算效率并保证边界点搜索模型的收敛。在修改自巴里岛（Barry Island）的32节点MSL-DHS上开展算例研究，验证所提方法，并分析供水温度、质量流量方向及热负荷水平对功率灵活性的影响。

随着电力系统（EPS）中可再生能源大规模接入，维持发电与负荷平衡所需的灵活性需求持续增长。供热系统（DHS）通过热电联产（CHP）和电转热（P2H）等耦合单元可向电力系统提供功率灵活性，但传统DHS由热力运营商按热负荷和自身安全约束运行；若EPS运营商盲目索取灵活性，可能使热网逼近运行极限，甚至危及供热网络稳定性。直接联合优化EPS与DHS模型又会扩大问题规模并带来隐私障碍，因此量化DHS灵活性十分必要。已有灵活性量化方法多局限于单热源辐射状热网，或需假设质量流量恒定，难以适用于由多个单源网络发展融合形成的多源环状供热系统（MSL-DHS）。MSL-DHS在变质量流量定供水温度（VF-CT）模式下运行，水力模型非凸非线性，且环状管网中可能出现双向质量流量；多个耦合单元的灵活性边界因热网约束而相互耦合。为此，研究人员提出基于功率灵活性区域（PFR）的量化方法。

研究人员将MSL-DHS可行域投影到耦合单元功率输出/输入的边界变量空间，建立PFR模型，并设计迭代搜索边界点、构造凸包的方法完成功率灵活性量化。研究表明，PFR能够将多个耦合单元的功率灵活性作为一个整体进行刻画，其范围明显小于仅考虑耦合单元自身约束的可行域；所提全局优化算法与全局求解器Baron精度相当；供水温度、质量流量方向和热负荷水平对PFR形状、位置及灵活性幅值均有显著影响。该方法可为MSL-DHS参与电力系统灵活性交互及灵活性市场提供量化工具。

研究人员建立MSL-DHS模型，将可行域投影到边界变量空间构建PFR模型；采用重构分段McCormick包络对二次水力等式约束进行凸松弛，形成混合整数线性规划（MILP）模型；提出全局优化算法，通过迭代增加分段数收紧松弛，结合局部NLP求解器获取上下界并判断收敛；利用Quickhull算法对边界点构造凸包以近似PFR。算例采用修改自巴里岛（Barry Island）的32节点MSL-DHS，以及一个包含151节点、151条管道、3个热源和71个热力站的实际规模MSL-DHS。

方法验证（Method Validation）：在32节点系统中计算PFR，结果表明P_g^EB最大值可达14.26 MW，P_g^CHP最大值可达17.15 MW；PFR范围小于仅考虑耦合单元约束的可行域，说明热网内部约束使多个灵活性源的边界相互关联。向上灵活性指标（P_g^CHP?P_g^EB）在边界点15达到最大，较初始运行点提高8.60 MW。与Baron求解器对比，基于重构分段McCormick包络的全局优化算法在各测试算例中均收敛，最优性差距小于0.01%，且收敛速度与求解效率优于传统分段McCormick方法。

PFR讨论（Discussion on PFR）：供水温度的影响（Impact of Supply Temperature）：在VF-CT模式下，供水温度决定输送相同热量所需的质量流量。Case II和Case III降低供水温度后，P_g^EB上限较Case I分别降低0.66 MW和1.65 MW，原因是供回水温差减小使质量流量更容易达到上限。双向质量流量的影响（Impact of Bidirectional Mass Flow）：Case I中质量流量的混合节点为H7和H19；Case IV中CHP热出力下降、EB热出力上升；Case V中CHP和EB热出力均下降，由燃气锅炉（GB）补偿。水力工况变化使PFR边界随之改变，Case V中（P_g^CHP?P_g^EB）最大为14.89 MW、最小为?11.95 MW。不同水力工况下的PFR（PFRS Under Different Hydraulic Conditions）：在耦合单元热功率变量空间中，三种工况对应的灵活性区域互不相交，因为运行中避免质量流量为零；当管道流量接近下限并发生反向时，运行点切换到相邻PFR。热负荷水平的影响（Impact of Heat Load Level）：以21.64 MW为基准，负荷从100%增至150%时，P_g^CHP灵活性上限从18.50 MW降至15.76 MW，下限从3.47 MW升至9.30 MW；P_g^EB最大容量从6.93 MW升至15.92 MW，最小容量从2.78 MW升至8.04 MW；EB下调功率灵活性减少3.34 MW，而上调灵活性仅增加1.53 MW。负荷降低时质量流量较低，同样会限制下调灵活性。

实际规模系统测试（Test on Practical-Scale System）：在含两台CHP、151节点、151条管道、3个热源和71个热力站的实际规模MSL-DHS中，PFR定义在两台CHP功率变量空间上。P_CHP1范围为257.31~278.98 MW，P_CHP2范围为112.11~141.42 MW；两台CHP总功率（P_CHP1+P_CHP2）在点A较初始运行点增加12.97 MW，在点B减少13.10 MW；单个边界点平均求解时间为11.73 s，计算性能可接受。

讨论部分围绕PFR随运行条件变化的机理展开，指出供水温度通过改变质量流量裕度影响灵活性，双向质量流量导致不同水力工况下PFR边界不同，热负荷水平改变PFR形状与位置。研究结论可翻译为：本文提出了一种考虑多种灵活性来源的MSL-DHS功率灵活性量化方法。基于MSL-DHS可行域推导出定义在边界变量空间上的PFR模型，用以刻画其功率灵活性；建立非凸NLP问题搜索PFR边界点，并采用基于重构分段McCormick包络的全局优化算法求解。所提方法能够将MSL-DHS中多个耦合单元的功率灵活性作为一个整体进行量化。数值仿真表明，所提方法效率与全局求解器Baron相当；在VF-CT控制策略下，通过选取合适的供水温度可获得更好的功率灵活性性能；当热网运营商寻求更多功率灵活性时，应考虑双向质量流量的影响；不同热负荷水平下PFR差异显著。