低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)

一、專欄概況

園區(qū)是我國產(chǎn)業(yè)聚集、工業(yè)化、城市化的重要載體，其綠色低碳發(fā)展是我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要抓手。2021年，國務(wù)院發(fā)布《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》，強(qiáng)調(diào)要“打造一批達(dá)到國際先進(jìn)水平的節(jié)能低碳園區(qū)”，“建設(shè)綠色工廠和綠色工業(yè)園區(qū)”，“推進(jìn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)循環(huán)化發(fā)展”等。低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)集成了電、氣、冷/熱、電氣化交通等城市能源系統(tǒng)的核心要素，涉及到建筑、電氣、能源等交叉學(xué)科領(lǐng)域。支撐園區(qū)低碳甚至零碳運(yùn)行的綜合能源系統(tǒng)技術(shù)路徑設(shè)計(jì)與系統(tǒng)規(guī)劃、建模分析、運(yùn)行控制、碳排放追蹤與管控等方面，是近年來國內(nèi)外學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。

為展示該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，交流學(xué)術(shù)和技術(shù)成果，《中國電力》編輯部特邀澳門大學(xué)張洪財(cái)助理教授、四川大學(xué)向月副教授、河海大學(xué)陳勝青年教授共同擔(dān)任特約主編，組織“低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)”專欄，于2023年12期刊出，責(zé)任編輯楊彪。該專欄共錄用4篇稿件，來稿單位涉及四川大學(xué)、國網(wǎng)江蘇省電力公司、廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司等高校、科研單位和企業(yè)。

二、主要內(nèi)容

專欄發(fā)表的4篇文章分別從低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置、低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行等方面開展研究。

1. 低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置

在低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方面，本專欄刊出來自四川大學(xué)向月團(tuán)隊(duì)的《計(jì)及需求響應(yīng)的高比例清潔能源園區(qū)儲(chǔ)能容量優(yōu)化配置》1篇文章，主要內(nèi)容如下。

考慮清潔能源具有不確定性和間歇性的特點(diǎn)，合理配備儲(chǔ)能系統(tǒng)可以幫助園區(qū)提高用電效率，減少能源浪費(fèi)，有助于可再生能源的進(jìn)一步消納。此外，政府為園區(qū)儲(chǔ)能項(xiàng)目提供補(bǔ)貼、稅收減免等優(yōu)惠政策，這些政策可以降低儲(chǔ)能項(xiàng)目的成本，從而提高它們的投資吸引力。為了提高園區(qū)清潔能源消納水平、儲(chǔ)能配置經(jīng)濟(jì)性，《計(jì)及需求響應(yīng)的高比例清潔能源園區(qū)儲(chǔ)能容量優(yōu)化配置》提出一種考慮需求響應(yīng)的高比例清潔能源園區(qū)儲(chǔ)能容量優(yōu)化配置方法。建立光伏、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能功率模型；其次，設(shè)計(jì)了考慮剛性、可轉(zhuǎn)移、可中斷負(fù)荷參與的設(shè)定需求響應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間尺度下負(fù)荷的轉(zhuǎn)移。以系統(tǒng)總凈現(xiàn)成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，考慮入網(wǎng)功率波動(dòng)、充放電限值等約束條件，建立儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)配置模型。算例驗(yàn)證了所提方法的有效性，并得到如下結(jié)論：考慮入網(wǎng)功率變化率標(biāo)準(zhǔn)，確定合適的時(shí)間顆粒度可以精細(xì)化配置儲(chǔ)能容量，提高儲(chǔ)能配置的經(jīng)濟(jì)性。負(fù)荷側(cè)積極參與需求響應(yīng)，可進(jìn)一步促進(jìn)風(fēng)光消納，保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行。

2. 低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行

在低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方面，本專欄刊出來自國網(wǎng)江蘇省電力公司薛溟楓等的《基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)的綜合能源微網(wǎng)群協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行方法》、廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司蘇志鵬等的《考慮階梯式碳交易及綜合需求響應(yīng)的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度》，以及廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司黃蔚亮等的《考慮可調(diào)市場和外部需求響應(yīng)的虛擬電廠優(yōu)化運(yùn)行策略》3篇文章，主要內(nèi)容如下。

1）針對現(xiàn)有多主體綜合能源微網(wǎng)群協(xié)同運(yùn)行中，集中式優(yōu)化面臨的主體隱私保護(hù)、參數(shù)難以共享問題，以及分布式優(yōu)化面臨的優(yōu)化模型須大量簡化近似、全局最優(yōu)性難以保障的問題，《基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)的綜合能源微網(wǎng)群協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行方法》提出了一種基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)的多主體綜合能源微網(wǎng)群協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行方法，以實(shí)現(xiàn)主體隱私性與全局最優(yōu)性的兼顧。首先，基于GRU深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建各綜合能源微網(wǎng)的等值互動(dòng)特性封裝模型并上傳至云端；其次，在不侵入各微網(wǎng)內(nèi)部隱私數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將各微網(wǎng)等效模型加密后于云端匯總并進(jìn)行聯(lián)邦學(xué)習(xí)；最后，依據(jù)云端聯(lián)邦學(xué)習(xí)的結(jié)果對邊端各綜合能源微網(wǎng)互動(dòng)特性封裝模型進(jìn)行修正和更新，迭代直至損失函數(shù)收斂，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隱私保護(hù)下綜合能源微網(wǎng)群的全局協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行。通過典型的綜合能源微網(wǎng)群仿真算例驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性，結(jié)果表明：該方法能實(shí)現(xiàn)綜合能源微網(wǎng)群的快速高效優(yōu)化運(yùn)行，并有效保護(hù)各參與方的數(shù)據(jù)隱私。

2）雙碳目標(biāo)下，多能耦合協(xié)同運(yùn)行的虛擬電廠(VPP)能夠有效提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。為降低VPP碳排放量，同時(shí)挖掘綜合能源系統(tǒng)需求側(cè)可調(diào)節(jié)潛力，《考慮階梯式碳交易及綜合需求響應(yīng)的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度》提出一種考慮階梯碳交易及綜合需求響應(yīng)的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型?；陔A梯式碳交易機(jī)制，考慮虛擬電廠各組成元件約束，建立參與碳交易市場的虛擬電廠模型。將需求響應(yīng)分為價(jià)格型需求響應(yīng)和替代性需求響應(yīng)，并分別構(gòu)建價(jià)格型需求響應(yīng)模型和替代性需求響應(yīng)模型。考慮購能成本、系統(tǒng)運(yùn)營成本和階梯式碳交易成本，以VPP在調(diào)度周期內(nèi)收益最大為目標(biāo)函數(shù)建立虛擬電廠低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型。通過算例仿真，得到結(jié)論：VPP參與需求響應(yīng)在高峰負(fù)荷時(shí)段削減部分負(fù)荷低谷負(fù)荷時(shí)段補(bǔ)充負(fù)荷，在起到“削峰填谷”的作用的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了需求側(cè)中電負(fù)荷與熱負(fù)荷的相互替代，實(shí)現(xiàn)了多能源間的深度耦合，提高了VPP運(yùn)行的靈活性與經(jīng)濟(jì)性；通過研究碳交易基價(jià)對系統(tǒng)運(yùn)行的影響發(fā)現(xiàn)隨著碳交易基價(jià)的升高，系統(tǒng)總運(yùn)行成本升高碳排放量降低，碳交易基價(jià)超過一個(gè)閾值后碳排放量接近系統(tǒng)正常運(yùn)行的最低界限，進(jìn)而趨于平穩(wěn)。

3）虛擬電廠參與電網(wǎng)需求響應(yīng)已成為新型電力系統(tǒng)削峰填谷的重要手段，提高虛擬電廠在電力市場中的獲益能力十分關(guān)鍵?！犊紤]可調(diào)市場和外部需求響應(yīng)的虛擬電廠優(yōu)化運(yùn)行策略》提出一種考慮可調(diào)市場和外部需求響應(yīng)的虛擬電廠優(yōu)化運(yùn)行策略。建立調(diào)節(jié)市場(RM)和需求響應(yīng)交換市場(DRXM)模型?？紤]外部需求響應(yīng)(EDR)靈活性，建立虛擬電廠參與日前和調(diào)節(jié)市場的運(yùn)行決策框架，DRXM作為多個(gè)EDR供應(yīng)商的聚合者，向虛擬電廠提供EDR服務(wù)，降低RM的不平衡懲罰，提高虛擬電廠經(jīng)濟(jì)性。構(gòu)建虛擬電廠雙層優(yōu)化運(yùn)行模型，在上層虛擬電廠通過參與DRXM降低RM懲罰，實(shí)現(xiàn)其利潤最大化，在下層配電系統(tǒng)運(yùn)營商通過清除日前和調(diào)節(jié)市場偏差，實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行成本最小化，采用KKT條件將優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為線性單層問題求解。以改進(jìn)IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行算例分析，得到結(jié)論：VPP可以在DRXM中進(jìn)行交易，以增加其在日前市場中的銷售，同時(shí)減少其在RM中的不平衡處罰；DRXM交易不僅提高了VPP的利潤，而且保證了配電市場的最優(yōu)運(yùn)行成本，DRXM為VPP提供了一個(gè)靈活的選擇，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

三、相關(guān)研究延伸

針對低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)，還有學(xué)者從低碳園區(qū)碳捕集技術(shù)、低碳園區(qū)儲(chǔ)能技術(shù)、低碳園區(qū)監(jiān)測與智能化技術(shù)等方面開展研究。

1）低碳園區(qū)碳捕集技術(shù)方面，合肥工業(yè)大學(xué)齊先軍等[1]針對碳捕集設(shè)備，在8個(gè)應(yīng)用場景下，選出碳排放量、棄風(fēng)量和總成本均為最低的應(yīng)用場景。在此過程中，目標(biāo)函數(shù)可能會(huì)調(diào)整為同時(shí)最小化成本和排放的碳量，或者以減少碳排放為主要目標(biāo)；發(fā)電單元的約束條件可能需要調(diào)整以考慮碳捕集設(shè)備的運(yùn)行和排放限制；該技術(shù)在公式上也需要考慮多個(gè)因素的影響，包括碳捕集設(shè)備的效率、能源消耗、捕集后CO2的處理和儲(chǔ)存/利用方式等。西安交通大學(xué)黃雨涵等[2]則從能源供給和消費(fèi)側(cè)的角度，梳理了包括碳捕集系統(tǒng)的運(yùn)營與管理技術(shù)、運(yùn)營成本、管理模式等方面的研究，并對碳捕集在能源低碳化中的作用進(jìn)行了分析。

2）低碳園區(qū)儲(chǔ)能技術(shù)方面，上海電力大學(xué)施泉生等[3]將蓄電池、蓄熱電鍋爐和電轉(zhuǎn)氣（Power to gas，P2G）技術(shù)應(yīng)用于低碳園區(qū)微網(wǎng)系統(tǒng)中，建立電-氣-熱混合儲(chǔ)能的IES，但其缺乏對儲(chǔ)氫IES的研究和分析。氫氣相比天然氣具有更高的能源密度，在相同體積下可以儲(chǔ)存更多的能量。武漢大學(xué)張鵬成等[4]從儲(chǔ)氫角度出發(fā)，構(gòu)建“綠電-氫能-工業(yè)”耦合復(fù)雜系統(tǒng)，探討氫能驅(qū)動(dòng)下鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)低碳發(fā)展模式。但該方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的技術(shù)難度和成本問題，且對于氫能驅(qū)動(dòng)下的鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)低碳發(fā)展模式的實(shí)際應(yīng)用效果和可行性，文中并未進(jìn)行充分的驗(yàn)證和分析。

3）在低碳園區(qū)監(jiān)測與智能化技術(shù)方面，西南大學(xué)蔡偉等[5]從能源監(jiān)測、評(píng)估、優(yōu)化和基準(zhǔn)等多個(gè)方面，綜合探討了提高制造業(yè)能源性能的方法，分析了不同方法的特點(diǎn)和適用范圍。南瑞集團(tuán)郝飛等[6]則融合了工業(yè)控制、能源管理、智能化技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了對IES的全面監(jiān)測和優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)了對能源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，提高了IES的效率和可靠性。山東大學(xué)賈斌等[7]融合了多種技術(shù)手段，如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等，偏向建筑能源系統(tǒng)。未來的研究將更加關(guān)注系統(tǒng)的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等問題，同時(shí)也需要加強(qiáng)對系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用和成本效益等問題的探討。

雙碳目標(biāo)下，低碳園區(qū)乃至零碳園區(qū)將在未來我國產(chǎn)業(yè)的聚集、工業(yè)化、城市化中扮演更加重要的角色。實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)有兩個(gè)挑戰(zhàn)：1）現(xiàn)有的客觀環(huán)境難以全方位融入零碳理念（新園區(qū)的規(guī)劃及老園區(qū)的運(yùn)營管理）；2）現(xiàn)有的研究缺乏對碳排放和碳吸收的綜合探索。此外，零碳園區(qū)級(jí)IES未來向著數(shù)字化、社會(huì)環(huán)境因素一體化、全域 IES 的方向發(fā)展的概率極大，呈多樣化趨勢。綜合考慮上述需求與挑戰(zhàn)，對低碳園區(qū)規(guī)劃與運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)有如下建議。

1）低碳園區(qū)從規(guī)劃、建設(shè)到運(yùn)營和管理，各個(gè)方面都融入了低碳理念。低碳園區(qū)的建設(shè)必須將碳中和作為其首要目標(biāo)。這就需要設(shè)計(jì)者首先明確該目標(biāo)，其次，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)協(xié)調(diào)零碳園區(qū)整個(gè)生命周期的建設(shè)目標(biāo)和運(yùn)營管理，共同實(shí)現(xiàn)零碳排放，顯著提高碳減排效率。

2）數(shù)字化將成為零碳園區(qū)未來的發(fā)展趨勢，可以幫助零碳園區(qū)實(shí)時(shí)收集和監(jiān)測能源使用、碳排放等相關(guān)數(shù)據(jù)。通過實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、能源分析、高效管理等，全面把控現(xiàn)存老舊園區(qū)能源使用情況，實(shí)現(xiàn)園區(qū)用能和碳排放的精細(xì)化管理，從而提高老舊園區(qū)的能源管理水平。

3）從碳循環(huán)角度講，當(dāng)碳吸收與排放達(dá)到平衡時(shí)才能實(shí)現(xiàn)碳中和，因此碳中和本質(zhì)是一個(gè)以政策為導(dǎo)向的技術(shù)驅(qū)動(dòng)過程。固碳技術(shù)目前仍面臨高成本和能耗問題，同時(shí)大規(guī)模應(yīng)用碳捕集技術(shù)還需要解決二氧化碳的存儲(chǔ)和后處理問題。

4）設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)適宜利用當(dāng)?shù)刈匀毁Y源的優(yōu)勢來提高園區(qū)的碳中和水平[8]。一方面，利用好當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源，如風(fēng)能、太陽能、水電，解決園區(qū)大部分的能源供應(yīng)需求，剩余能源需求可以通過智能電網(wǎng)來補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)園區(qū)的零碳能源。另一方面，采用生態(tài)碳匯在園區(qū)內(nèi)創(chuàng)造小的生態(tài)氣候區(qū)，按照建筑碳排放進(jìn)行設(shè)計(jì)和分布，在園區(qū)內(nèi)創(chuàng)造園林景觀，吸引住戶參與生態(tài)碳匯設(shè)施的維護(hù)和運(yùn)營[9]。