低碳園區綜合能源系統規劃與運行關(guān)鍵技術(shù)

一、專(zhuān)欄概況

園區是我國產(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“碳達峰、碳中和”目標的重要抓手。2021年，國務(wù)院發(fā)布《2030年前碳達峰行動(dòng)方案的通知》，強調要“打造一批達到國際先進(jìn)水平的節能低碳園區”，“建設綠色工廠(chǎng)和綠色工業(yè)園區”，“推進(jìn)產(chǎn)業(yè)園區循環(huán)化發(fā)展”等。低碳園區綜合能源系統集成了電、氣、冷/熱、電氣化交通等城市能源系統的核心要素，涉及到建筑、電氣、能源等交叉學(xué)科領(lǐng)域。支撐園區低碳甚至零碳運行的綜合能源系統技術(shù)路徑設計與系統規劃、建模分析、運行控制、碳排放追蹤與管控等方面，是近年來(lái)國內外學(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(mén)大學(xué)張洪財助理教授、四川大學(xué)向月副教授、河海大學(xué)陳勝青年教授共同擔任特約主編，組織“低碳園區綜合能源系統規劃與運行關(guān)鍵技術(shù)”專(zhuān)欄，于2023年12期刊出，責任編輯楊彪。該專(zhuān)欄共錄用4篇稿件，來(lái)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)有限責任公司等高校、科研單位和企業(yè)。

二、主要內容

專(zhuān)欄發(fā)表的4篇文章分別從低碳園區綜合能源系統的優(yōu)化配置、低碳園區綜合能源系統優(yōu)化運行等方面開(kāi)展研究。

1. 低碳園區綜合能源系統的優(yōu)化配置

在低碳園區綜合能源系統優(yōu)化配置方面，本專(zhuān)欄刊出來(lái)自四川大學(xué)向月團隊的《計及需求響應的高比例清潔能源園區儲能容量?jì)?yōu)化配置》1篇文章，主要內容如下。

考慮清潔能源具有不確定性和間歇性的特點(diǎn)，合理配備儲能系統可以幫助園區提高用電效率，減少能源浪費，有助于可再生能源的進(jìn)一步消納。此外，政府為園區儲能項目提供補貼、稅收減免等優(yōu)惠政策，這些政策可以降低儲能項目的成本，從而提高它們的投資吸引力。為了提高園區清潔能源消納水平、儲能配置經(jīng)濟性，《計及需求響應的高比例清潔能源園區儲能容量?jì)?yōu)化配置》提出一種考慮需求響應的高比例清潔能源園區儲能容量?jì)?yōu)化配置方法。建立光伏、風(fēng)機、儲能功率模型；其次，設計了考慮剛性、可轉移、可中斷負荷參與的設定需求響應機制，實(shí)現一定時(shí)間尺度下負荷的轉移。以系統總凈現成本最低為優(yōu)化目標，考慮入網(wǎng)功率波動(dòng)、充放電限值等約束條件，建立儲能經(jīng)濟配置模型。算例驗證了所提方法的有效性，并得到如下結論：考慮入網(wǎng)功率變化率標準，確定合適的時(shí)間顆粒度可以精細化配置儲能容量，提高儲能配置的經(jīng)濟性。負荷側積極參與需求響應，可進(jìn)一步促進(jìn)風(fēng)光消納，保證系統經(jīng)濟可靠運行。

2. 低碳園區綜合能源系統優(yōu)化運行

在低碳園區綜合能源系統優(yōu)化運行方面，本專(zhuān)欄刊出來(lái)自國網(wǎng)江蘇省電力公司薛溟楓等的《基于聯(lián)邦學(xué)習的綜合能源微網(wǎng)群協(xié)同優(yōu)化運行方法》、廣東電網(wǎng)有限責任公司蘇志鵬等的《考慮階梯式碳交易及綜合需求響應的虛擬電廠(chǎng)優(yōu)化調度》，以及廣東電網(wǎng)有限責任公司黃蔚亮等的《考慮可調市場(chǎng)和外部需求響應的虛擬電廠(chǎng)優(yōu)化運行策略》3篇文章，主要內容如下。

1）針對現有多主體綜合能源微網(wǎng)群協(xié)同運行中，集中式優(yōu)化面臨的主體隱私保護、參數難以共享問(wèn)題，以及分布式優(yōu)化面臨的優(yōu)化模型須大量簡(jiǎn)化近似、全局最優(yōu)性難以保障的問(wèn)題，《基于聯(lián)邦學(xué)習的綜合能源微網(wǎng)群協(xié)同優(yōu)化運行方法》提出了一種基于聯(lián)邦學(xué)習的多主體綜合能源微網(wǎng)群協(xié)調優(yōu)化運行方法，以實(shí)現主體隱私性與全局最優(yōu)性的兼顧。首先，基于GRU深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò )構建各綜合能源微網(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)內部隱私數據的基礎上，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；最后，依據云端聯(lián)邦學(xué)習的結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，迭代直至損失函數收斂，進(jìn)而實(shí)現隱私保護下綜合能源微網(wǎng)群的全局協(xié)同優(yōu)化運行。通過(guò)典型的綜合能源微網(wǎng)群仿真算例驗證了該方法的可行性和有效性，結果表明：該方法能實(shí)現綜合能源微網(wǎng)群的快速高效優(yōu)化運行，并有效保護各參與方的數據隱私。

2）雙碳目標下，多能耦合協(xié)同運行的虛擬電廠(chǎng)(VPP)能夠有效提升系統經(jīng)濟效益。為降低VPP碳排放量，同時(shí)挖掘綜合能源系統需求側可調節潛力，《考慮階梯式碳交易及綜合需求響應的虛擬電廠(chǎng)優(yōu)化調度》提出一種考慮階梯碳交易及綜合需求響應的虛擬電廠(chǎng)優(yōu)化調度模型?；陔A梯式碳交易機制，考慮虛擬電廠(chǎng)各組成元件約束，建立參與碳交易市場(chǎng)的虛擬電廠(chǎng)模型。將需求響應分為價(jià)格型需求響應和替代性需求響應，并分別構建價(jià)格型需求響應模型和替代性需求響應模型?？紤]購能成本、系統運營(yíng)成本和階梯式碳交易成本，以VPP在調度周期內收益最大為目標函數建立虛擬電廠(chǎng)低碳經(jīng)濟運行模型。通過(guò)算例仿真，得到結論：VPP參與需求響應在高峰負荷時(shí)段削減部分負荷低谷負荷時(shí)段補充負荷，在起到“削峰填谷”的作用的同時(shí)，還實(shí)現了需求側中電負荷與熱負荷的相互替代，實(shí)現了多能源間的深度耦合，提高了VPP運行的靈活性與經(jīng)濟性；通過(guò)研究碳交易基價(jià)對系統運行的影響發(fā)現隨著(zhù)碳交易基價(jià)的升高，系統總運行成本升高碳排放量降低，碳交易基價(jià)超過(guò)一個(gè)閾值后碳排放量接近系統正常運行的最低界限，進(jìn)而趨于平穩。

3）虛擬電廠(chǎng)參與電網(wǎng)需求響應已成為新型電力系統削峰填谷的重要手段，提高虛擬電廠(chǎng)在電力市場(chǎng)中的獲益能力十分關(guān)鍵?！犊紤]可調市場(chǎng)和外部需求響應的虛擬電廠(chǎng)優(yōu)化運行策略》提出一種考慮可調市場(chǎng)和外部需求響應的虛擬電廠(chǎng)優(yōu)化運行策略。建立調節市場(chǎng)(RM)和需求響應交換市場(chǎng)(DRXM)模型?？紤]外部需求響應(EDR)靈活性，建立虛擬電廠(chǎng)參與日前和調節市場(chǎng)的運行決策框架，DRXM作為多個(gè)EDR供應商的聚合者，向虛擬電廠(chǎng)提供EDR服務(wù)，降低RM的不平衡懲罰，提高虛擬電廠(chǎng)經(jīng)濟性。構建虛擬電廠(chǎng)雙層優(yōu)化運行模型，在上層虛擬電廠(chǎng)通過(guò)參與DRXM降低RM懲罰，實(shí)現其利潤最大化，在下層配電系統運營(yíng)商通過(guò)清除日前和調節市場(chǎng)偏差，實(shí)現其運行成本最小化，采用KKT條件將優(yōu)化模型轉化為線(xiàn)性單層問(wèn)題求解。以改進(jìn)IEEE 33節點(diǎn)配電網(wǎng)系統進(jìn)行算例分析，得到結論：VPP可以在DRXM中進(jìn)行交易，以增加其在日前市場(chǎng)中的銷(xiāo)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(chǎng)的最優(yōu)運行成本，DRXM為VPP提供了一個(gè)靈活的選擇，提高了系統的經(jīng)濟性。

三、相關(guān)研究延伸

針對低碳園區綜合能源系統規劃與運行關(guān)鍵技術(shù)，還有學(xué)者從低碳園區碳捕集技術(shù)、低碳園區儲能技術(shù)、低碳園區監測與智能化技術(shù)等方面開(kāi)展研究。

1）低碳園區碳捕集技術(shù)方面，合肥工業(yè)大學(xué)齊先軍等[1]針對碳捕集設備，在8個(gè)應用場(chǎng)景下，選出碳排放量、棄風(fēng)量和總成本均為最低的應用場(chǎng)景。在此過(guò)程中，目標函數可能會(huì )調整為同時(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；發(fā)電單元的約束條件可能需要調整以考慮碳捕集設備的運行和排放限制；該技術(shù)在公式上也需要考慮多個(gè)因素的影響，包括碳捕集設備的效率、能源消耗、捕集后CO2的處理和儲存/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側的角度，梳理了包括碳捕集系統的運營(yíng)與管理技術(shù)、運營(yíng)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）低碳園區儲能技術(shù)方面，上海電力大學(xué)施泉生等[3]將蓄電池、蓄熱電鍋爐和電轉氣（Power to gas，P2G）技術(shù)應用于低碳園區微網(wǎng)系統中，建立電-氣-熱混合儲能的IES，但其缺乏對儲氫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?xún)Υ娓嗟哪芰?。武漢大學(xué)張鵬成等[4]從儲氫角度出發(fā)，構建“綠電-氫能-工業(yè)”耦合復雜系統，探討氫能驅動(dòng)下鋼鐵園區能源系統低碳發(fā)展模式。但該方法在實(shí)際應用中存在一定的技術(shù)難度和成本問(wèn)題，且對于氫能驅動(dòng)下的鋼鐵園區能源系統低碳發(fā)展模式的實(shí)際應用效果和可行性，文中并未進(jìn)行充分的驗證和分析。

3）在低碳園區監測與智能化技術(shù)方面，西南大學(xué)蔡偉等[5]從能源監測、評估、優(yōu)化和基準等多個(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)現了對IES的全面監測和優(yōu)化。實(shí)現了對能源系統的動(dòng)態(tài)調整和優(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)、云計算、大數據分析等，偏向建筑能源系統。未來(lái)的研究將更加關(guān)注系統的可靠性、安全性和經(jīng)濟性等問(wèn)題，同時(shí)也需要加強對系統實(shí)際應用和成本效益等問(wèn)題的探討。

雙碳目標下，低碳園區乃至零碳園區將在未來(lái)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)現該目標有兩個(gè)挑戰：1）現有的客觀(guān)環(huán)境難以全方位融入零碳理念（新園區的規劃及老園區的運營(yíng)管理）；2）現有的研究缺乏對碳排放和碳吸收的綜合探索。此外，零碳園區級IES未來(lái)向著(zhù)數字化、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，對低碳園區規劃與運行關(guān)鍵技術(shù)有如下建議。

1）低碳園區從規劃、建設到運營(yíng)和管理，各個(gè)方面都融入了低碳理念。低碳園區的建設必須將碳中和作為其首要目標。這就需要設計者首先明確該目標，其次，設計者應當協(xié)調零碳園區整個(gè)生命周期的建設目標和運營(yíng)管理，共同實(shí)現零碳排放，顯著(zhù)提高碳減排效率。

2）數字化將成為零碳園區未來(lái)的發(fā)展趨勢，可以幫助零碳園區實(shí)時(shí)收集和監測能源使用、碳排放等相關(guān)數據。通過(guò)實(shí)現遠程抄表、能源分析、高效管理等，全面把控現存老舊園區能源使用情況，實(shí)現園區用能和碳排放的精細化管理，從而提高老舊園區的能源管理水平。

3）從碳循環(huán)角度講，當碳吸收與排放達到平衡時(shí)才能實(shí)現碳中和，因此碳中和本質(zhì)是一個(gè)以政策為導向的技術(shù)驅動(dòng)過(guò)程。固碳技術(shù)目前仍面臨高成本和能耗問(wèn)題，同時(shí)大規模應用碳捕集技術(shù)還需要解決二氧化碳的存儲和后處理問(wèn)題。

4）設計者應當適宜利用當地自然資源的優(yōu)勢來(lái)提高園區的碳中和水平[8]。一方面，利用好當地的自然資源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、水電，解決園區大部分的能源供應需求，剩余能源需求可以通過(guò)智能電網(wǎng)來(lái)補充，實(shí)現園區的零碳能源。另一方面，采用生態(tài)碳匯在園區內創(chuàng )造小的生態(tài)氣候區，按照建筑碳排放進(jìn)行設計和分布，在園區內創(chuàng )造園林景觀(guān)，吸引住戶(hù)參與生態(tài)碳匯設施的維護和運營(yíng)[9]。