能量枢纽

能量枢纽是多能源系统的重要组成部分，可容纳多种形式能源的输入和多元化的负荷类型。优化配置能量枢纽的设备类型和容量是保证能量枢纽安全经济运行的基础。

定义能量枢纽是对多能源系统的抽象：认为多能源系统是一个多种形式能源输入，多能能源输出的双端口网络，中间的能量转换环节由耦合矩阵表示。1

组成与模型能量枢纽概念的来自于非常朴素的想法:无论一个多能源系统中电、热、气之间的藕合关系是多么的复杂，都需要各种形式能源的输入，最终转化成为其他形式的能源作为系统的输出，于是便可以将一个多能源系统抽象成为如图所示的输入一输出双端口网络，中间的方框部分即为待分析的多能源系统，利用能量枢纽抽象描述。

能量枢纽左端的P向量表示多能源系统的原始能源输入，右端的L向量表示经过转换后的能源输出。因此，数学层面上的能量枢纽是一个输入P到输出L的一个函数：

式中函数f可以考虑到各种形式能源的传输、转换、存储等环节阵。

能量枢纽的基本组成元件主要分为三部分：能源传导设备：不进行任何能量转化，能够实现能源的直接传输，如电缆、热网管道、气网管道等；能源转换设备：实现不同能源形式之间的转化与耦合，如燃料电池、电动机、蒸汽和燃气轮机、内燃机、电解槽等；能源存储设备：电池、抽蓄电站、储热装置等。

作用利用能量枢纽对多能源系统建模，实现各种形式能源的协同优化，将充分考虑各种形式能源的互济与互补，产生若干直接的协同效应。从优化的角度来看，实现多能源系统综合优化的本质是将分立的子空间优化问题，转变为一个更大的全空间优化问题。其价值具体体现于：

（1）提高系统的经济性：在规划层面有，通过能源互济实现基础设施的高效配置，避免重复投资，降低系统投资成本;在运行层面，能够实现能源在不同系统的梯级利用，提升能源使用效率。

（2）提升系统的灵活性:在能源的供应侧，各种形式能源能够相互转化，在能源的消费侧，用户能够选择不同形式的能源达成同样的目标，这种供给生产双边的多能互补增加了系统的灵活性。例如，在用电高峰阶段，能源供给商能够实现利用燃料电池发电，利用热系统的能源供应进行制冷，从而缓解用电压力。同样地，这种高效自由转化能够平抑负荷或新能源出力的波动性。灵活的能源供应与需求有助于高渗透率新能源的高比例消纳、多能源系统的碳排放减低等。

（3）增加系统的可靠性：多能源系统将丰富能源的供应渠道，一方面能够各种能源能够通过传导设备直接传输到消费侧，另一方面还可以通过其他能源形式的转化实现能源的供给。在其中一种传输途径出现故障时能够利用其他途径进行补充，形成各种形式能源的互济，提高供能可靠性。

（4）挖掘系统的互补性：多能源系统能够使各子能源系统取长补短。例如，通过电力系统实现能源的高速、低损、远距离传输，而通过热力系统、燃气系统实现能源的大规模存储，平抑能源供应的波动性。

能量枢纽研究展望（1）考虑动态及时延特性的能量枢纽统一模型

当前对于能量枢纽的建模已经考虑了能源系统中可能出现的各种元素，包括储能、需求响应、新能源接入等，也对能量枢纽中不同能源转化设备如CHP、CCHP、PEV、PHEV、电解槽等进行了细致的建模。然而现有的建模还存在一定的局限性，可能需要以下两个方面的研究。首先，现有能量枢纽建模基本是基于能源转化设备稳态模型的，考虑了能量的分配、转换效率等各种因素，然而对能量枢纽中设备的动态过程可能带来的约束欠缺考虑，例如CHP存在的可运行区间约束、机组可能存在的稳定极限约束、热传导过程中存在的时延约束、能量枢纽在运行过程中多时段存在的藕合关联约束等。

（2）能量枢纽的不确定性分析方法

在建模过程中需要进一步研究能量枢纽输入、内部转化、输出等各个环节和外界的耦合关系和不确定性，除新能源出力、用户用能存在不确定性外，还可能有外界温度不确定性对热管道传输效率的影响、能源转换设备本身的随机停运率等，这些不确定性的建模与研究将使能量枢纽在多能源系统的应用分析中对各因素考虑得更加全面。

（3）基于能量枢纽的多能源系统的安全可靠性

能量枢纽涉及到能源的生产、传输、转化、供应等多个环节，保障和评估其可靠性具有重要的意义。对于电力系统、热力系统等的安全可靠性评估的研究已经相对完善，但当多种形式能源系统相互耦合时，能量枢纽的可靠性评估需要充分考虑各种形式能源之间的互济、各种能源转化设备本身的可靠性等各中因素。如何将电力系统、热电系统等已有的可靠性评估模型与方法应用于能量枢纽的可靠性评估中去是一个函待解决的问题。

（4）互联网时代的能量枢纽商业模式研究

我国正在积极推进能源互联网的研究与建设，能源互联网除多能源系统的物理基础，还需要信息物理系统的集成和能源运营模式的创新，这两方面都将给能量枢纽的优化运行带来挑战。首先，能量枢纽能源互联网时代下将出现以居民、楼宇、工厂、电厂为主体的大量能量枢纽单元，其相互之间的优化需要较为发达的通信系统。需要通过构架云调度平台，实现不同能量枢纽之间的自由通信，同时研究多能量枢纽存在时的分布式优化算法将在一定程度上实现多能源系统的区域自治，从而实现能源系统的生态化。另外，随着售电侧等各种能源市场的开放，宽松的能源交易市场将使能量枢纽的运行优化变得更加的复杂，需要考虑到市场能源价格、实时能源需求、用户用能行为等各种因素，新的商业模式将会为能量枢纽带来新的运行和优化问题。2

本词条内容贡献者为:

程鹏 - 副教授 - 西南大学