低碳园区综合能源系统规划与运行关键技术

一、专栏概况

园区是我国产业聚集、工业化、城市化的重要载体，其绿色低碳发展是我国实现“碳达峰、碳中和”目标的重要抓手。2021年，国务院发布《2030年前碳达峰行动方案的通知》，强调要“打造一批达到国际先进水平的节能低碳园区”，“建设绿色工厂和绿色工业园区”，“推进产业园区循环化发展”等。低碳园区综合能源系统集成了电、气、冷/热、电气化交通等城市能源系统的核心要素，涉及到建筑、电气、能源等交叉学科领域。支撑园区低碳甚至零碳运行的综合能源系统技术路径设计与系统规划、建模分析、运行控制、碳排放追踪与管控等方面，是近年来国内外学术研究的热点。

（来源：中国电力）

为展示该领域的最新进展，交流学术和技术成果，《中国电力》编辑部特邀澳门大学张洪财助理教授、四川大学向月副教授、河海大学陈胜青年教授共同担任特约主编，组织“低碳园区综合能源系统规划与运行关键技术”专栏，于2023年12期刊出，责任编辑杨彪。该专栏共录用4篇稿件，来稿单位涉及四川大学、国网江苏省电力公司、广东电网有限责任公司等高校、科研单位和企业。

二、主要内容

专栏发表的4篇文章分别从低碳园区综合能源系统的优化配置、低碳园区综合能源系统优化运行等方面开展研究。

1. 低碳园区综合能源系统的优化配置

在低碳园区综合能源系统优化配置方面，本专栏刊出来自四川大学向月团队的《计及需求响应的高比例清洁能源园区储能容量优化配置》1篇文章，主要内容如下。

考虑清洁能源具有不确定性和间歇性的特点，合理配备储能系统可以帮助园区提高用电效率，减少能源浪费，有助于可再生能源的进一步消纳。此外，政府为园区储能项目提供补贴、税收减免等优惠政策，这些政策可以降低储能项目的成本，从而提高它们的投资吸引力。为了提高园区清洁能源消纳水平、储能配置经济性，《计及需求响应的高比例清洁能源园区储能容量优化配置》提出一种考虑需求响应的高比例清洁能源园区储能容量优化配置方法。建立光伏、风机、储能功率模型；其次，设计了考虑刚性、可转移、可中断负荷参与的设定需求响应机制，实现一定时间尺度下负荷的转移。以系统总净现成本最低为优化目标，考虑入网功率波动、充放电限值等约束条件，建立储能经济配置模型。算例验证了所提方法的有效性，并得到如下结论：考虑入网功率变化率标准，确定合适的时间颗粒度可以精细化配置储能容量，提高储能配置的经济性。负荷侧积极参与需求响应，可进一步促进风光消纳，保证系统经济可靠运行。

2. 低碳园区综合能源系统优化运行

在低碳园区综合能源系统优化运行方面，本专栏刊出来自国网江苏省电力公司薛溟枫等的《基于联邦学习的综合能源微网群协同优化运行方法》、广东电网有限责任公司苏志鹏等的《考虑阶梯式碳交易及综合需求响应的虚拟电厂优化调度》，以及广东电网有限责任公司黄蔚亮等的《考虑可调市场和外部需求响应的虚拟电厂优化运行策略》3篇文章，主要内容如下。

1）针对现有多主体综合能源微网群协同运行中，集中式优化面临的主体隐私保护、参数难以共享问题，以及分布式优化面临的优化模型须大量简化近似、全局最优性难以保障的问题，《基于联邦学习的综合能源微网群协同优化运行方法》提出了一种基于联邦学习的多主体综合能源微网群协调优化运行方法，以实现主体隐私性与全局最优性的兼顾。首先，基于GRU深度学习网络构建各综合能源微网的等值互动特性封装模型并上传至云端；其次，在不侵入各微网内部隐私数据的基础上，将各微网等效模型加密后于云端汇总并进行联邦学习；最后，依据云端联邦学习的结果对边端各综合能源微网互动特性封装模型进行修正和更新，迭代直至损失函数收敛，进而实现隐私保护下综合能源微网群的全局协同优化运行。通过典型的综合能源微网群仿真算例验证了该方法的可行性和有效性，结果表明：该方法能实现综合能源微网群的快速高效优化运行，并有效保护各参与方的数据隐私。

2）双碳目标下，多能耦合协同运行的虚拟电厂(VPP)能够有效提升系统经济效益。为降低VPP碳排放量，同时挖掘综合能源系统需求侧可调节潜力，《考虑阶梯式碳交易及综合需求响应的虚拟电厂优化调度》提出一种考虑阶梯碳交易及综合需求响应的虚拟电厂优化调度模型。基于阶梯式碳交易机制，考虑虚拟电厂各组成元件约束，建立参与碳交易市场的虚拟电厂模型。将需求响应分为价格型需求响应和替代性需求响应，并分别构建价格型需求响应模型和替代性需求响应模型。考虑购能成本、系统运营成本和阶梯式碳交易成本，以VPP在调度周期内收益最大为目标函数建立虚拟电厂低碳经济运行模型。通过算例仿真，得到结论：VPP参与需求响应在高峰负荷时段削减部分负荷低谷负荷时段补充负荷，在起到“削峰填谷”的作用的同时，还实现了需求侧中电负荷与热负荷的相互替代，实现了多能源间的深度耦合，提高了VPP运行的灵活性与经济性；通过研究碳交易基价对系统运行的影响发现随着碳交易基价的升高，系统总运行成本升高碳排放量降低，碳交易基价超过一个阈值后碳排放量接近系统正常运行的最低界限，进而趋于平稳。

3）虚拟电厂参与电网需求响应已成为新型电力系统削峰填谷的重要手段，提高虚拟电厂在电力市场中的获益能力十分关键。《考虑可调市场和外部需求响应的虚拟电厂优化运行策略》提出一种考虑可调市场和外部需求响应的虚拟电厂优化运行策略。建立调节市场(RM)和需求响应交换市场(DRXM)模型。考虑外部需求响应(EDR)灵活性，建立虚拟电厂参与日前和调节市场的运行决策框架，DRXM作为多个EDR供应商的聚合者，向虚拟电厂提供EDR服务，降低RM的不平衡惩罚，提高虚拟电厂经济性。构建虚拟电厂双层优化运行模型，在上层虚拟电厂通过参与DRXM降低RM惩罚，实现其利润最大化，在下层配电系统运营商通过清除日前和调节市场偏差，实现其运行成本最小化，采用KKT条件将优化模型转化为线性单层问题求解。以改进IEEE 33节点配电网系统进行算例分析，得到结论：VPP可以在DRXM中进行交易，以增加其在日前市场中的销售，同时减少其在RM中的不平衡处罚；DRXM交易不仅提高了VPP的利润，而且保证了配电市场的最优运行成本，DRXM为VPP提供了一个灵活的选择，提高了系统的经济性。

三、相关研究延伸

针对低碳园区综合能源系统规划与运行关键技术，还有学者从低碳园区碳捕集技术、低碳园区储能技术、低碳园区监测与智能化技术等方面开展研究。

1）低碳园区碳捕集技术方面，合肥工业大学齐先军等[1]针对碳捕集设备，在8个应用场景下，选出碳排放量、弃风量和总成本均为最低的应用场景。在此过程中，目标函数可能会调整为同时最小化成本和排放的碳量，或者以减少碳排放为主要目标；发电单元的约束条件可能需要调整以考虑碳捕集设备的运行和排放限制；该技术在公式上也需要考虑多个因素的影响，包括碳捕集设备的效率、能源消耗、捕集后CO2的处理和储存/利用方式等。西安交通大学黄雨涵等[2]则从能源供给和消费侧的角度，梳理了包括碳捕集系统的运营与管理技术、运营成本、管理模式等方面的研究，并对碳捕集在能源低碳化中的作用进行了分析。

2）低碳园区储能技术方面，上海电力大学施泉生等[3]将蓄电池、蓄热电锅炉和电转气（Power to gas，P2G）技术应用于低碳园区微网系统中，建立电-气-热混合储能的IES，但其缺乏对储氢IES的研究和分析。氢气相比天然气具有更高的能源密度，在相同体积下可以储存更多的能量。武汉大学张鹏成等[4]从储氢角度出发，构建“绿电-氢能-工业”耦合复杂系统，探讨氢能驱动下钢铁园区能源系统低碳发展模式。但该方法在实际应用中存在一定的技术难度和成本问题，且对于氢能驱动下的钢铁园区能源系统低碳发展模式的实际应用效果和可行性，文中并未进行充分的验证和分析。

3）在低碳园区监测与智能化技术方面，西南大学蔡伟等[5]从能源监测、评估、优化和基准等多个方面，综合探讨了提高制造业能源性能的方法，分析了不同方法的特点和适用范围。南瑞集团郝飞等[6]则融合了工业控制、能源管理、智能化技术等多个领域，实现了对IES的全面监测和优化。实现了对能源系统的动态调整和优化，提高了IES的效率和可靠性。山东大学贾斌等[7]融合了多种技术手段，如物联网、云计算、大数据分析等，偏向建筑能源系统。未来的研究将更加关注系统的可靠性、安全性和经济性等问题，同时也需要加强对系统实际应用和成本效益等问题的探讨。

双碳目标下，低碳园区乃至零碳园区将在未来我国产业的聚集、工业化、城市化中扮演更加重要的角色。实现该目标有两个挑战：1）现有的客观环境难以全方位融入零碳理念（新园区的规划及老园区的运营管理）；2）现有的研究缺乏对碳排放和碳吸收的综合探索。此外，零碳园区级IES未来向着数字化、社会环境因素一体化、全域 IES 的方向发展的概率极大，呈多样化趋势。综合考虑上述需求与挑战，对低碳园区规划与运行关键技术有如下建议。

1）低碳园区从规划、建设到运营和管理，各个方面都融入了低碳理念。低碳园区的建设必须将碳中和作为其首要目标。这就需要设计者首先明确该目标，其次，设计者应当协调零碳园区整个生命周期的建设目标和运营管理，共同实现零碳排放，显著提高碳减排效率。

2）数字化将成为零碳园区未来的发展趋势，可以帮助零碳园区实时收集和监测能源使用、碳排放等相关数据。通过实现远程抄表、能源分析、高效管理等，全面把控现存老旧园区能源使用情况，实现园区用能和碳排放的精细化管理，从而提高老旧园区的能源管理水平。

3）从碳循环角度讲，当碳吸收与排放达到平衡时才能实现碳中和，因此碳中和本质是一个以政策为导向的技术驱动过程。固碳技术目前仍面临高成本和能耗问题，同时大规模应用碳捕集技术还需要解决二氧化碳的存储和后处理问题。

4）设计者应当适宜利用当地自然资源的优势来提高园区的碳中和水平[8]。一方面，利用好当地的自然资源，如风能、太阳能、水电，解决园区大部分的能源供应需求，剩余能源需求可以通过智能电网来补充，实现园区的零碳能源。另一方面，采用生态碳汇在园区内创造小的生态气候区，按照建筑碳排放进行设计和分布，在园区内创造园林景观，吸引住户参与生态碳汇设施的维护和运营[9]。