本文是一篇电气自动化论文，本文基于综合能源系统建模及潮流计算方法，主要针对系统安全性和经济性，对静态安全分析和优化运行计算进行研究。
第1章绪论
1.1研究背景及意义
随着我国经济的高速发展，人们对化石能源的需求与其剩余储量之间的矛盾逐渐加剧，随之而来的碳排放超标等环境问题也日益突出，仅依靠传统化石资源的能源供应方式无法同时满足节能环保的目标以及高能源需求的社会现状[1]。在目前我国多数的城市能源供应系统中，电力、天然气、热力三种能源供应网络是互相分开、独立运行和调控的，无法通过系统之间信息的完全公开达到互联以实现统一调控[2]。在此情况下，各能源系统都可能由于实时供需不平衡出现弃能或失负荷现象，导致能源综合利用率较低且经济效益受损[3]。而近年来在我国提出并开始试验的综合能源系统（Integrated Energy System，IES）可以借助耦合装置转换输入-输出能源的类型，据此有效地解决上述现存的社会能源问题[4]。在IES中将综合考虑如风能、太阳能等可再生能源以及传统的电力、天然气、热力等能源网络，组成多能源的统一系统，实现能源之间的互补和协同优化。
2001年美国率先计划发展综合能源系统[5]，2011年美国学者首次提出能源互联网的具体概念，将分布式能源与互联网相融合[6]，随后依托于“未来可再生电能传输与管理系统”项目逐步开始构建数字化能源网络[7]。欧盟学者以信息在能源系统中的传递研究为基础，最早提出了IES的概念[8]。在亚洲区域内，日本由于其能源匮乏的现状，成为本区域内较早开展IES研究的国家，2009年日本政府制定了综合能源覆盖全国的目标[9]。虽然我国对于能源互联网这一概念的引入较晚，但近年来国内就能源互联、智能电网等内容开展了大量研究分析。理论部分，周孝信院士提出了实现能源信息融合的核心是电力系统，基础是智能电网[10]。孙宏斌教授指出能源互联是借助互联网技术，形成能源生产和消费的双向互动网络[11]。应用方面，目前多集中于研究区块链框架、信息管控以及储能等技术[12-14]。
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1.2国内外研究现状
1.2.1综合能源系统建模及潮流计算研究现状
各系统中设备元件模型的精度会直接决定研究结果的准确程度。多能系统的模型包括多个部分：可控源端的模型、各能源传输部分的送端模型、负荷部分的受端模型、耦合环节各设备模型以及储能部分模型。而在储能模型中，还需要考虑电力难存储的特性，将其与气、热存储模型加以区分，分别建模。综上可看出综合能源系统建模的复杂程度。目前研究中，独立的电、气、热系统内元件已有较为完善的模型[20]，现阶段和未来着重所需研究是模型的整合、集成和改进。文献[21]分析了冷热电联产机组（Combined Cooling Heating and Power,CCHP）的组成和结构，采用新型母线方式表述设备间连接和耦合关系，按照不同的能量传递形式对微网系统搭建了含CCHP机组的基本框架，并在此基础上进行后续设备的独立建模。文献[22]使用矩阵描述系统中各能源间的耦合关系，在不考虑储热环节的前提下，分别研究了两类典型能源集线器的特性，并对其进行了改进。文献[23]针对电-气系统耦合程度日益紧密的现状，在忽略耦合细节的前提下，对单轴和分轴的燃气轮机（gas turbine,GT）模型分别进行了改进分析，并增加开关控制阀模型用以控制管道入口压力。文献[24]以一个电-气互联系统为例，分别对其中的微型燃气轮机和电转气（Power to Gas,P2G）装置的具体结构进行了分析和建模，并且在电力网络中考虑光、储设备，使得网络既可运行在孤岛模式，也可并网运行，最后在各网络设备模型的基础上研究了电网动态过程对气网的影响。上述文献虽然都对综合能源系统中的元件进行了详细建模，但均存在一定局限性，如文献[22]中的能量枢纽（Energy Hub,EH）模型未考虑能量损耗和边界约束，网络间的联系分析仅从宏观角度出发；
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第2章综合能源系统数学模型构建
2.1综合能源系统概述
综合能源系统是由电力、天然气、热力等多种能源组成的统一整体，在该类系统运行的过程中需要结合电力电子、通信、管理等多方面技术，完成整体能源的协同规划和调度，以在满足负荷需求的前提下平衡各个能源系统的负载率[55]。
具体地，该类系统由各类能源的供应端（如发电机组、天然气源、热力源等）经各自的传输环节（如变压器、电力传输线、天然气管道、热力管道等）和耦合环节（如燃气轮机GT、燃气锅炉（Gas boiler,GB）、余热锅炉、P2G/P2H（Powerto Heat）设备等）供给需求侧（如微电网、可控负荷等）[56]。
由于不同能源系统的运行特性不同，故对于综合能源系统的研究，应以各能源子系统的数学建模为基础，因此本章主要研究稳态情况下各系统的模型建立方法。
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2.2各能源子系统模型构建
2.2.1电力系统稳态模型
电力系统主要由发电机、输电线、变压器、负荷组成。图2.1以5节点网络为例给出电力系统模型图[57]，其中G为发电机、l为输电线路，T为变压器，LLPQ为负荷。
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并网的光伏发电系统除了光伏阵列之外，还需要如逆变器、滤波器、电源等多种设备支撑其与电网连接以达到并网供能的目的。当并网部分采用电压型三相桥式逆变器时，光伏板输出直流为电容充电，通过控制开关，输出50Hz交流电，经LC滤波和变压器接入电网。
光伏阵列由多个光伏电池串并联后组成，单个的光伏电池等效模型一般有等效电路模型和工程数学模型两种形式。
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第3章综合能源系统潮流计算方法...............................23
3.1电力网络潮流计算-快速分解法........................23
3.2天然气网络潮流计算-牛顿逆推法.............................24
3.3热力网络潮流计算-线性牛拉法...............................26
第4章综合能源系统静态安全N-1分析...............................31
4.1电力系统静态安全分析基本原理................................31
4.2综合能源系统静态安全分析拓展应用.....................33
4.3 39节点案例计算与分析.....................................36
第5章综合能源系统优化运行计算...................................42
5.1综合能源系统经济运行的数学模型................................42
5.1.1目标函数...................................42
5.1.2约束条件...................................43
第5章综合能源系统优化运行计算
5.1综合能源系统经济运行的数学模型
5.1.1目标函数
在第四章综合能源系统安全性的已有研究分析基础上，为满足目前实际应用需求仍须进一步考虑系统的经济性、环保性等多项因素，即在计及弃风、弃光、弃负荷、废气排放等多种条件下使系统运行过程中各项费用总和最少。因此，有必要在前述系统元件模型、潮流计算方法和静态安全分析所得到的交互影响关系的基础上，进行最优潮流计算，并给出最终的优化运行出力方案，以提升综合能源系统的实际应用价值。
根据参考文献[64]中对于综合能源系统的评价指标，本文优化拟参考经济一级指标设备经济性中的二级指标设备运行节省费用、环保一级指标环保性中的二级指标二氧化碳排放量、技术一级指标可靠性中的二级指标系统供能可靠率。故在目标函数方面考虑网络运行费用、气体排放费用以及弃风惩罚费用。
线路功率传输限制[65]：电力系统线路受其固有参数和结构影响，对于功率或电流都有传输上限的限制。若过载，则会导致线路熔断，造成安全隐患。在实际系统中，单个支路的损耗很小，相较于其功率上限来说可以忽略，故在应用时仅约束每个支路的首端功率，可认为在允许误差范围内，线路的末端功率也不会超出上限值，取支路容量上限的85%作为有功功率的上限值。
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第6章总结与展望
6.1全文总结
电-气-热综合能源系统作为未来主要发展和应用的能源供应方式和体系，不仅通过协同调度满足了不同种类能源负荷的用能需求，还可涵盖如风电、光伏等清洁能源以及储能设备等多种分布式供能方式，提高能源利用率更加高效的同时，达到更加环保的效果。本文基于综合能源系统建模及潮流计算方法，主要针对系统安全性和经济性，对静态安全分析和优化运行计算进行研究，具体从以下四个部分展开：
搭建了综合能源系统各部分的结构和模型，主要包含电力、天然气、热力三个子系统的数学模型、运行特点以及耦合环节各种能源转换设备的数学模型，其中电力部分拓展分析了风电和光伏两种分布式能源的工程化模型，将耦合设备分为电-气、电-热、气-热三大类，分别以其中的典型设备：燃气轮机、P2G设备、电锅炉、燃气锅炉为例分析了内部构造和工作原理，最终将其集成为能源集线器，更加直观的了解其在综合能源系统实际运行时所发挥的作用。
研究了求解综合能源系统潮流的计算方法，使用不同算法分别求解各子网络潮流分布情况，给出了电力部分--快速分解法、天然气部分--牛顿逆推法、热力部分--改进牛拉法的原理、数学表达方程和具体计算流程，分析能源集线器两种不同工作方式，据此确定不同运行状态下综合能源系统整体潮流交替迭代的计算顺序，该部分是后续安全分析和优化运行计算的重要基础。
参考文献（略）