雙碳目標(biāo)下低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)

張沈習(xí)，王丹陽，程浩忠，宋 毅，原 凱，杜 煒

（1. 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗室（上海交通大學(xué)）,上海市 200240；2. 國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司,北京市 102209；3. 國電南瑞科技股份有限公司,江蘇省 南京市 211106）

0 引言

工業(yè)革命以來,溫室氣體大量排放導(dǎo)致氣候形勢日益嚴(yán)峻,低碳發(fā)展成為世界各國應(yīng)對氣候變化的必由之路［1-2］。在全球低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)程中,美國、日本、加拿大、歐盟等發(fā)達(dá)國家和組織紛紛制定氣候戰(zhàn)略,承諾于2050 年實(shí)現(xiàn)CO2凈零排放。中國不斷提高國家自主貢獻(xiàn)力度,在2020 年9 月宣布力爭2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”,2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”,雙碳目標(biāo)昭示著中國在低碳發(fā)展道路上進(jìn)一步加速。

為實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展,在碳排放中占比較大的能源行業(yè)成為節(jié)能減排的主力軍［3］,具有多能互補(bǔ)、能源梯級利用［4］等優(yōu)勢的綜合能源系統(tǒng)是能源行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的重要解決方案。在中國,自綜合能源系統(tǒng)寫入“十三五”規(guī)劃以來,天津中新生態(tài)城、江蘇同里綜合能源服務(wù)中心、上海崇明島等多個綜合能源示范工程均證實(shí)了綜合能源系統(tǒng)在節(jié)能減排方面的潛力［5-6］。能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃強(qiáng)調(diào)繼續(xù)推動綜合能源系統(tǒng)積極有序發(fā)展,促進(jìn)“用能場景的智慧化和綠色化提升”［7］。2019 年歐盟提出的“歐洲綠色協(xié)議”［8］、2020 年日本提出的“綠色增長戰(zhàn)略”［9］等多個組織和國家的低碳發(fā)展戰(zhàn)略也明確了綜合能源系統(tǒng)的重要價值。在降碳要求不斷提高的背景下,如何深度推進(jìn)能源系統(tǒng)減排進(jìn)程,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和環(huán)境目標(biāo)的兼顧,成為當(dāng)下的重要議題。因此,亟須對低碳綜合能源系統(tǒng)展開深入研究。綜合文獻(xiàn)［3］對低碳多能源系統(tǒng)研究框架的評述、文獻(xiàn)［10］對電力系統(tǒng)低碳化關(guān)鍵要素的分析、文獻(xiàn)［11］對多能互補(bǔ)思想的闡述等,筆者認(rèn)為低碳綜合能源系統(tǒng)是通過集成碳捕集技術(shù)、提高非碳能源比例、充分調(diào)動源-網(wǎng)-荷-儲各能源環(huán)節(jié)靈活性資源等方法,主動或被動降低碳排放的多能源系統(tǒng)形態(tài)。低碳綜合能源系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):1）通過碳捕集技術(shù)提高化石能源燃燒效率,捕集能源轉(zhuǎn)換過程中釋放的CO2進(jìn)行封存或再利用,從而直接降低碳排放［12］；2）利用電/氣/熱/冷多元儲能［13-14］、需求側(cè)管理［15］、能源-信息-交通多系統(tǒng)互聯(lián)互動［16］等方式深度挖掘靈活性資源,提升能效,促進(jìn)可再生能源消納,進(jìn)而間接降低碳排放；3）依托碳市場機(jī)制設(shè)計［17-18］、碳市場和能源市場的協(xié)同互動［19］等市場調(diào)節(jié)手段,充分調(diào)動各主體的減排積極性,促進(jìn)能源系統(tǒng)降碳。

各種低碳要素的引入必然對低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃產(chǎn)生深刻影響。在實(shí)際規(guī)劃過程中,如圖1 所示,可將規(guī)劃對象根據(jù)地理范圍和能源發(fā)/輸/配/用特性［11,20-21］分為跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)、區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)和用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)。其中,跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)主要涉及電、氣兩種能源形式,具有能源大規(guī)模生產(chǎn)和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)淖饔?；集成了以集中式風(fēng)光場站、加裝碳捕集設(shè)備的大型綜合能源站為代表的產(chǎn)能單元,季節(jié)性儲能為代表的儲能單元,輸電線路、輸氣管道、交通網(wǎng)絡(luò)為代表的能源遠(yuǎn)距離傳輸單元等。區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)包含的異質(zhì)能源種類最為豐富,主要有能源分配、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)淖饔?；集成了中小型風(fēng)光、生物質(zhì)、地?zé)岬确植际角鍧嵞茉?多元儲能設(shè)備,經(jīng)多種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備深度耦合的電/氣/熱/冷能源傳輸網(wǎng)絡(luò),基于能源、信息、交通多系統(tǒng)互聯(lián)互動的綜合需求響應(yīng)體系等。用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)直接為終端用戶供能,與建筑被動節(jié)能設(shè)計密切相關(guān),是低碳建筑的重要組成部分；集成了小微型風(fēng)光、地?zé)岬惹鍧嵞茉春托⌒碗妰δ堋⑿顭峁薜葍δ茉O(shè)備,用戶用能行為的變化往往對系統(tǒng)整體造成顯著影響,“源荷”波動性和隨機(jī)性較大。

圖1 不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of low-carbon integrated energy system at different levels

目前,國內(nèi)外針對低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃已經(jīng)展開了部分研究,但是缺少系統(tǒng)性的梳理和歸納。本文首先對現(xiàn)階段能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)和路徑優(yōu)化方法進(jìn)行總結(jié),之后歸納分析了碳捕集技術(shù)建模方法和不同能源環(huán)節(jié)的可再生能源消納技術(shù)；然后,根據(jù)跨區(qū)級、區(qū)域級、用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)的不同特點(diǎn)分別評述了不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的研究現(xiàn)狀；最后,對低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃發(fā)展中可能面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

1 能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)及路徑優(yōu)化分析

2020 年9 月,中國提出“碳達(dá)峰”“碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)。然而,由圖2（數(shù)據(jù)來源:波茨坦氣候影響研究所）可以發(fā)現(xiàn),相比于部分發(fā)達(dá)國家,中國碳排放總量較大,“碳達(dá)峰”到“碳中和”的時間更緊、減排任務(wù)更重,雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)面臨諸多挑戰(zhàn)。作為碳排放的主要來源之一,能源行業(yè)被普遍認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)深度減排的關(guān)鍵［22］。能源轉(zhuǎn)型的根本目標(biāo)在于構(gòu)建清潔、低碳的新型能源體系［23］,具體表現(xiàn)為一次能源清潔化、終端能源電氣化和多能互補(bǔ)互濟(jì)。

圖2 各國“碳達(dá)峰”“碳中和”時間節(jié)點(diǎn)Fig.2 Time points of“carbon emission peak”and“carbon neutralization”in various countries

針對中國目前能源結(jié)構(gòu)偏煤、能效偏低的特點(diǎn)［24］,國內(nèi)學(xué)者在能源轉(zhuǎn)型路徑優(yōu)化分析上開展了大量研究。文獻(xiàn)［25］利用電力行業(yè)長期規(guī)劃與短期運(yùn)行聯(lián)合優(yōu)化模型,研究了4 種不同排放目標(biāo)下電力行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型路徑,并針對轉(zhuǎn)型過程中可再生能源擴(kuò)張、煤電提前退出、碳捕集技術(shù)應(yīng)用和轉(zhuǎn)型投資保障4 個關(guān)鍵問題做出進(jìn)一步分析。文獻(xiàn)［26］結(jié)合中國城市化進(jìn)程不斷加速的具體國情,對城市能源系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)型過程中的形態(tài)演化路徑進(jìn)行分析,指出了未來城市能源系統(tǒng)分區(qū)互聯(lián)化的發(fā)展方向。文獻(xiàn)［27］構(gòu)建了計及多能耦合轉(zhuǎn)換、儲能等新能源多元化利用方式的全鏈條技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價模型,對能源系統(tǒng)低碳發(fā)展的常規(guī)路徑、電-氫協(xié)同路徑和電-氫-碳協(xié)同路徑進(jìn)行對比分析,強(qiáng)調(diào)了未來電制氫、電制甲醇等P2X 技術(shù)的重要調(diào)節(jié)作用。

除能源行業(yè)整體轉(zhuǎn)型路徑優(yōu)化的相關(guān)研究外,也有部分學(xué)者針對清潔能源替代、碳捕集技術(shù)的應(yīng)用等具體某一方面的發(fā)展進(jìn)行了路徑分析。在清潔能源替代方面,文獻(xiàn)［28］基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),從電力平衡和電量平衡兩方面分析了能源轉(zhuǎn)型道路上包含儲能、需求側(cè)資源在內(nèi)的多時間尺度調(diào)節(jié)體系對于新能源替代的關(guān)鍵作用；文獻(xiàn)［29］針對國內(nèi)水電發(fā)展的路徑優(yōu)化問題,建立了考慮碳排放約束、政府政策等不同場景下的系統(tǒng)動力學(xué)模型,并對比了不同因素對水電發(fā)展的影響。在碳捕集技術(shù)的應(yīng)用方面,文獻(xiàn)［30］梳理了中國碳捕集和封存利用（carbon capture,utilization,and storage,CCUS）技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,對2025—2050 年CCUS 技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化能力、部署規(guī)模等方面的發(fā)展進(jìn)行了路徑優(yōu)化；文獻(xiàn)［31］參考國際經(jīng)驗,對中國CCUS 項目與碳交易市場銜接路徑進(jìn)行分析,提出建立CCUS 項目減排證書制度、配額拍賣補(bǔ)貼機(jī)制等建議。在碳市場機(jī)制設(shè)計方面,文獻(xiàn)［32-33］基于信息論和行為學(xué)對碳市場風(fēng)險及控制方式進(jìn)行了框架設(shè)計,并參考沙盤推演理念,利用模擬仿真方法對碳市場發(fā)展路徑進(jìn)行推演。

此外,自然碳匯手段也是中國低碳化轉(zhuǎn)型道路上的重要措施之一。目前中國的自然碳匯市場以森林碳匯為主,草原、濕地、海洋等其他自然碳匯手段仍處于起步階段。在能源行業(yè)低碳化轉(zhuǎn)型的道路上,主要可通過碳匯市場利用自然碳匯手段:文獻(xiàn)［34］基于實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)建立Heckman 兩階段模型,證明了控排企業(yè)傾向使用林業(yè)碳匯減排量的意愿；文獻(xiàn)［35］利用羅賓斯泰因模型分析了基于火電廠減排需求的森林碳匯價格最終決定機(jī)制,為自然碳匯市場價格制定提供了新途徑。

2 碳捕集技術(shù)建模及可再生能源消納技術(shù)

國際能源署（International Energy Agency,IEA）指出,應(yīng)對氣候挑戰(zhàn)的主要手段包括發(fā)展清潔能源、提高能效和CCUS［36］。集成高比例多類型清潔能源的低碳綜合能源系統(tǒng),一方面通過多能互補(bǔ)促進(jìn)能源利用的提質(zhì)增效,另一方面合理配置碳捕集設(shè)備主動捕集CO2,實(shí)現(xiàn)了IEA 所提減排手段的有機(jī)結(jié)合。

在具體減排要素方面,如圖3 所示,不同能源環(huán)節(jié)、不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)有所不同。在能源系統(tǒng)低碳化進(jìn)程中,跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)由于能源生產(chǎn)、傳輸規(guī)模較大,具有較高的減排潛力:如在能源生產(chǎn)方面,通過集成大規(guī)模風(fēng)光場站、碳捕集電廠（carbon capture power plant,CCPP）等,逐步替換傳統(tǒng)火電廠等碳排放較高的傳統(tǒng)產(chǎn)能單元；針對風(fēng)光出力的間歇性和隨機(jī)性,配備大規(guī)模季節(jié)性儲能,促進(jìn)可再生能源消納。區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲各能源環(huán)節(jié)靈活性資源豐富,特別是能源系統(tǒng)與信息系統(tǒng)、交通系統(tǒng)互動頻繁,潛在的需求響應(yīng)資源十分龐大；豐富的靈活性資源在促進(jìn)風(fēng)光、地?zé)?、小水電等多類型可再生能源就地消納的同時,還有利于提高區(qū)域能源利用效率,從多角度降低區(qū)域碳排放。用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)用能規(guī)模往往較小,減排潛力也因此受限,主要利用建筑被動節(jié)能措施和能源系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計、可再生能源建筑一體化技術(shù)等手段實(shí)現(xiàn)減排。

圖3 低碳綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵要素Fig.3 Key elements of low-carbon integrated energy system

本章將關(guān)鍵減排要素分為通過碳捕集主動減排和通過促進(jìn)可再生能源消納間接減排兩大類,總結(jié)了碳捕集技術(shù)建模方法及其在低碳綜合能源系統(tǒng)中的典型應(yīng)用場景,并從源-網(wǎng)-荷-儲4 個方面歸納了促進(jìn)可再生能源消納的具體技術(shù),能夠為不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的研究提供支撐。

2.1 碳捕集技術(shù)建模及應(yīng)用場景

2.1.1 碳捕集技術(shù)建模方法

理論上,低碳綜合能源系統(tǒng)中涉及化石燃料燃燒的環(huán)節(jié)均可加裝碳捕集設(shè)備。碳捕集技術(shù)一般分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒3 類［30］。其中,燃燒后捕集技術(shù)發(fā)展較為成熟、應(yīng)用相對廣泛、商業(yè)化程度較高［37］。目前,針對電力系統(tǒng)中的碳捕集電廠已經(jīng)進(jìn)行了深入研究,其基本建模方式如下［38-39］:

在碳捕集電廠總發(fā)電功率一定時,調(diào)節(jié)碳捕集水平β可改變其凈輸出功率。在實(shí)際運(yùn)行中,可通過分流模式或溶液存儲模式迅速調(diào)節(jié)碳捕集水平,在碳捕集電廠總發(fā)電功率不變的情況下快速改變凈輸出功率,提高其下調(diào)峰深度,進(jìn)而為電力系統(tǒng)提供調(diào)峰、負(fù)荷跟蹤等輔助服務(wù)［41］。

現(xiàn)有研究中,在進(jìn)行碳捕集系統(tǒng)規(guī)劃時通?？紤]投資成本、運(yùn)行成本和捕集后的CO2運(yùn)輸及封存成本。其中,投資成本與運(yùn)行成本建模方面,可分為對碳捕集電廠發(fā)電成本整體建模［42］和對碳捕集設(shè)備投資及運(yùn)行成本單獨(dú)建模［43］兩種方式。文獻(xiàn)［42］在傳統(tǒng)火電廠發(fā)電成本模型的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了碳捕集電廠相對常規(guī)火電廠的發(fā)電成本增量系數(shù)；文獻(xiàn)［43］考慮了整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠、常規(guī)燃煤電廠和天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠中加裝碳捕集設(shè)備類型的不同,并對相應(yīng)碳捕集設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本進(jìn)行建模。對于捕集后CO2運(yùn)輸及封存成本的計算,既存在以CO2捕集量為變量,對運(yùn)輸及儲存整體成本進(jìn)行估算的方式［44］；也有根據(jù)運(yùn)輸距離計算管道運(yùn)輸成本［43］或其他運(yùn)輸方式的CO2運(yùn)輸成本［45］,根據(jù)CO2封存量計算CO2封存成本［46］等單獨(dú)計算運(yùn)輸及封存成本的計算模型。除碳捕集的各項成本外,文獻(xiàn)［43-44］在建模過程中還考慮了捕集后的碳利用收益:通過參考美國碳捕獲與封存稅收優(yōu)惠政策,根據(jù)CO2的不同利用方式確定每噸CO2的利用收益。如用于提高化石燃料采收率和地質(zhì)封存的CO2,每噸分別可享受31.77 美元和20.22 美元的碳利用收益；對于其他有效利用方式,如用作化工原料、食品的冷藏儲運(yùn)等,每噸CO2也可享受20.22 美元的收益。

2.1.2 碳捕集技術(shù)的典型應(yīng)用場景

在低碳綜合能源系統(tǒng)背景下,碳捕集技術(shù)與各類能源形式的耦合更加深入。一方面,在低碳綜合能源系統(tǒng)中,碳捕集技術(shù)的應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步拓展:天然氣去碳［47］、生物質(zhì)燃料去碳［48］、生物質(zhì)結(jié)合煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電［49］燃燒前捕集技術(shù)在低碳綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛,提高了綜合能源系統(tǒng)產(chǎn)能設(shè)備的清潔性；富氧燃燒電廠通過空分制氧裝置和儲氧罐協(xié)同優(yōu)化實(shí)現(xiàn)調(diào)峰［12］,且可通過合理配備余熱回收裝置進(jìn)一步降低成本。另一方面,碳捕集技術(shù)結(jié)合多能轉(zhuǎn)換,有利于提高系統(tǒng)靈活性,促進(jìn)可再生能源消納。其中,碳捕集電廠結(jié)合電轉(zhuǎn)氣（power to gas,P2G）成為典型的應(yīng)用場景:配備碳捕集設(shè)備的煤電廠［39,50］、燃?xì)怆姀S［51］利用捕集的CO2和P2G 設(shè)備生產(chǎn)甲烷和氫氣,實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)內(nèi)的碳循環(huán)利用；同時,CCPP-P2G 結(jié)合儲氣罐協(xié)同優(yōu)化可提高系統(tǒng)消納可再生能源的能力。另外,也有部分研究探索了碳捕集電廠與冷熱管網(wǎng)耦合提升能效的方式。文獻(xiàn)［52］通過CCPP-P2G 與液化天然氣（liquefied natural gas,LNG）氣化站相配合實(shí)現(xiàn)電/氣/冷網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化,碳捕集設(shè)備捕集的CO2既供給P2G,也利用LNG 氣化冷能制備液態(tài)CO2和干冰,在提高冷能利用率的同時降低棄風(fēng)量。文獻(xiàn)［53］在電-熱綜合能源系統(tǒng)中加裝碳捕集裝置,提高機(jī)組下調(diào)峰能力,同時通過電鍋爐與儲熱裝置協(xié)調(diào)供熱打破熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組“以熱定電”的剛性約束,促進(jìn)風(fēng)電消納。

2.2 可再生能源消納技術(shù)

可再生能源往往具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和間歇性。在能源系統(tǒng)低碳化進(jìn)程中,為應(yīng)對大規(guī)?？稍偕茉唇尤霂淼奶魬?zhàn),低碳綜合能源系統(tǒng)可充分調(diào)動各個能源環(huán)節(jié)的靈活性資源,如圖4 所示。通過利用多源互補(bǔ)、靈活性網(wǎng)絡(luò)資源、綜合需求響應(yīng)以及多元儲能等,平抑可再生能源帶來的波動,促進(jìn)可再生能源消納。

圖4 低碳綜合能源系統(tǒng)靈活性資源Fig.4 Flexible resources of low-carbon integrated energy system

2.2.1 源側(cè)支撐可再生能源消納

低碳綜合能源系統(tǒng)源側(cè)主要通過多源互補(bǔ)促進(jìn)可再生能源消納,多源互補(bǔ)的具體建模方法可分為多區(qū)域協(xié)同建模和多種能源形式協(xié)同建模。

多區(qū)域可再生能源在源側(cè)的協(xié)同建模通常應(yīng)用于集成大規(guī)模風(fēng)-光-水等可再生能源的跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng):一方面,地理位置遠(yuǎn)距離分散的同種可再生能源往往具有互補(bǔ)效應(yīng),如不同區(qū)域風(fēng)電場出力匯聚后產(chǎn)生平滑效應(yīng)［54］；另一方面,不同地理區(qū)域可再生能源資源稟賦通常不同,風(fēng)、光、水等可再生能源協(xié)同建模有助于在日內(nèi)及日間、季節(jié)等多個時間尺度實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)［55-56］,在整體上緩解可再生能源出力隨機(jī)性對能源系統(tǒng)造成的沖擊。

多種能源形式在源側(cè)的協(xié)同建模更多應(yīng)用于集成了風(fēng)光、地?zé)?、生物質(zhì)、氫能多種中小型分布式可再生能源的區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)。通過太陽能和地?zé)崮荞詈希?7］、太陽能和生物質(zhì)能耦合［58］等多種可再生能源協(xié)同規(guī)劃、調(diào)度,克服可再生能源間歇性出力的缺點(diǎn)。多種可再生能源協(xié)同建模雖然在一定程度上提高了計算模型的復(fù)雜性,但有助于平抑可再生能源出力的波動,提高可再生能源消納量,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性的兼顧［59］。

2.2.2 網(wǎng)側(cè)支撐可再生能源消納

低碳綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)主要利用供能網(wǎng)絡(luò)的靈活性促進(jìn)可再生能源消納,具體可分為計及能源網(wǎng)自身靈活性建模和考慮能源網(wǎng)與交通網(wǎng)、信息網(wǎng)協(xié)同建模兩種方式。

在高比例可再生能源參與供能的低碳綜合能源系統(tǒng)背景下,對能源網(wǎng)建模時可充分利用電網(wǎng)重構(gòu)、氣熱（冷）管網(wǎng)管存特性等電/氣/熱/冷能源網(wǎng)絡(luò)自身的靈活性資源,提高系統(tǒng)調(diào)峰能力和供能可靠性,如文獻(xiàn)［60］在基于信息間隙決策理論考慮電、氣負(fù)荷不確定性的前提下,利用電力傳輸線重構(gòu)擴(kuò)大優(yōu)化空間,以應(yīng)對多能負(fù)荷的波動；文獻(xiàn)［61］基于天然氣傳輸?shù)膭討B(tài)特性方程和流量平衡方程,利用隱式差分方法推導(dǎo)了天然氣管網(wǎng)儲能特性應(yīng)對負(fù)荷波動的緩沖機(jī)理；在熱網(wǎng)儲能特性建模方面,文獻(xiàn)［62］建立了考慮空間時間多尺度補(bǔ)償?shù)墓釞C(jī)組鍋爐和熱網(wǎng)儲能模型；文獻(xiàn)［63］引入熱網(wǎng)影響因子改進(jìn)換熱段溫度計算,建立可在機(jī)組故障停機(jī)工況下計算熱網(wǎng)儲能供能可持續(xù)時間的熱網(wǎng)儲能計算模型。利用氣熱管網(wǎng)的儲能特性,可緩解“源荷”波動對供能網(wǎng)絡(luò)的沖擊,促進(jìn)可再生能源消納。

考慮能源網(wǎng)與交通網(wǎng)、信息網(wǎng)協(xié)同建模時,水運(yùn)網(wǎng)［64］、鐵路網(wǎng)［16］運(yùn)輸液化燃?xì)?數(shù)據(jù)負(fù)載空間調(diào)度轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)中心用能負(fù)荷［65］等方式可作為供能管線的補(bǔ)充,直接或間接實(shí)現(xiàn)能源空間傳輸,在宏觀上提高供能網(wǎng)絡(luò)的靈活性。深入挖掘網(wǎng)側(cè)的靈活性資源,有助于緩解高比例可再生能源接入帶來的供能網(wǎng)絡(luò)阻塞、調(diào)峰調(diào)頻靈活性資源不足等問題,從而促進(jìn)可再生能源消納。

2.2.3 荷側(cè)支撐可再生能源消納

低碳綜合能源系統(tǒng)荷側(cè)主要通過多能負(fù)荷的綜合需求響應(yīng)促進(jìn)可再生能源消納。在對多能負(fù)荷單獨(dú)建模時,可考慮不同能源形式負(fù)荷在負(fù)荷波動頻率、用戶容忍度范圍、用能量等方面的不同特征,如熱負(fù)荷相比電負(fù)荷通常慣性較大、波動頻率較低、需求響應(yīng)潛力更大［66］。在對多能負(fù)荷整體建模時,一方面,不同區(qū)域多能負(fù)荷的用能高峰并不完全相同,可在考慮多能負(fù)荷時序互補(bǔ)特性的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析多能負(fù)荷的空間互補(bǔ)特性［67］,減小整體峰谷差率。另一方面,不同能源形式的需求響應(yīng)也存在耦合,在削減某一類負(fù)荷時可能影響其他多能負(fù)荷用能量。針對此問題,文獻(xiàn)［15］利用可轉(zhuǎn)換負(fù)荷模型進(jìn)行建模,也可通過建立耦合響應(yīng)特性矩陣描述多能負(fù)荷的耦合效應(yīng)［68-69］。建立準(zhǔn)確合理的綜合需求響應(yīng)模型,有助于激發(fā)低碳綜合能源系統(tǒng)荷側(cè)的靈活性,提高系統(tǒng)消納可再生能源的能力。

2.2.4 儲側(cè)支撐可再生能源消納

低碳綜合能源系統(tǒng)儲側(cè)的多元儲能設(shè)備是促進(jìn)可再生能源消納的重要環(huán)節(jié),根據(jù)研究目標(biāo)的不同可從以下幾方面進(jìn)行建模:1）考慮不同能源形式互補(bǔ)建模,如文獻(xiàn)［70］針對區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)中的電/熱/冷儲能裝置統(tǒng)一建模,相比單獨(dú)建模實(shí)現(xiàn)了更低的運(yùn)營成本與碳排放；2）不同時間尺度互補(bǔ)建模,如文獻(xiàn)［71］針對季節(jié)性儲能時間尺度與系統(tǒng)運(yùn)行時間尺度不一致的問題,提出了一種運(yùn)算較為簡潔的多時間尺度建模方法,并驗證了耦合季節(jié)儲能對綜合能源系統(tǒng)減排的積極作用；3）儲能與清潔電源、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備等其他能源環(huán)節(jié)協(xié)同建模,如文獻(xiàn)［72］建立了一種風(fēng)-核-氫非碳能源系統(tǒng),通過電解水制氫消納多余風(fēng)電,同時儲氫罐中的氫能可作為一種綠色的調(diào)峰資源。因此,在對低碳綜合能源系統(tǒng)中儲能設(shè)備進(jìn)行建模時,充分考慮不同能源形式、不同時間尺度、不同應(yīng)用場景下多元儲能間的互補(bǔ)效應(yīng),有助于平抑可再生能源隨機(jī)性造成的供能波動,促進(jìn)可再生能源消納。

3 跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃主要解決的問題是通過大型綜合能源站的選址定容、長距離能源傳輸管線的路徑、型號選擇,高效經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)綠色能源的大規(guī)模生產(chǎn)和遠(yuǎn)距離傳輸。如圖5 所示,大型綜合能源站的典型元素包括碳捕集電廠、大型風(fēng)光場站、儲氣庫群、以抽水蓄能為代表的大型電儲能等；長距離能源傳輸管線既包括輸電線、輸氣管道等傳統(tǒng)的能源傳輸管線,也涵蓋了可用于能源運(yùn)輸?shù)碾姎饣煌ň€路。在規(guī)劃時,通過集成高比例清潔能源、碳捕集技術(shù),可在能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)有效減排；而合理規(guī)劃長距離能源傳輸管線和大型儲能站則有助于克服可再生能源在時間、空間上分布不均衡的問題,促進(jìn)高比例可再生能源的消納。

圖5 跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵元素Fig.5 Key elements of cross-regional-level low-carbon integrated energy system planning

跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型中目標(biāo)函數(shù)的計算、碳排放約束的設(shè)置等均需先對系統(tǒng)碳排放量進(jìn)行核算。由于跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)主要承擔(dān)能源大規(guī)模生產(chǎn)和遠(yuǎn)距離輸送的責(zé)任,因此跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)碳排放核算方法大多從源側(cè)出發(fā):如文獻(xiàn)［73］基于碳排放系數(shù)法,利用不同碳排放水平供能主體的碳排放系數(shù)計算系統(tǒng)碳排放；文獻(xiàn)［74］進(jìn)一步考慮了供能主體低碳化改造過程對碳排放系數(shù)的影響；此外,也可通過全生命周期法［75］對不同供能主體各階段碳排放進(jìn)行計算。

3.1 計及碳捕集的跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

當(dāng)前碳捕集設(shè)備的投資成本、運(yùn)行成本仍相對較高,大型碳捕集電廠因規(guī)模效應(yīng)在技術(shù)經(jīng)濟(jì)性上具有更明顯的優(yōu)勢。因此,在跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃中考慮集成碳捕集設(shè)備更具現(xiàn)實(shí)意義。

含碳捕集設(shè)備的電力系統(tǒng)規(guī)劃已經(jīng)在碳捕集裝置、碳捕集電廠、含碳捕集電廠的電力系統(tǒng)等方面開展了一系列研究。在碳捕集裝置容量規(guī)劃方面:文獻(xiàn)［42］考慮了多種碳捕集技術(shù)對火電廠能耗和發(fā)電成本的不同影響,文獻(xiàn)［46］引入技術(shù)成熟度因子衡量碳捕集技術(shù)發(fā)展的階段性和不確定性。在碳捕集電廠規(guī)劃方面:文獻(xiàn)［76］在計及燃料來源、電力負(fù)荷、CO2封存地點(diǎn)等因素的基礎(chǔ)上對碳捕集電廠選址進(jìn)行規(guī)劃；文獻(xiàn)［77］考慮了碳捕集技術(shù)在不同階段投資成本的變化,將碳捕集機(jī)組和碳捕集預(yù)留機(jī)組同時作為待規(guī)劃機(jī)組,以較小的投資成本增量為碳捕集設(shè)備預(yù)留接口。在計及碳捕集的電力系統(tǒng)規(guī)劃方面:文獻(xiàn)［78］在考慮碳排放約束和碳排放交易收益的前提下對多區(qū)域電力系統(tǒng)的電源容量及區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線容量進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃；文獻(xiàn)［79］建立考慮老化火電廠關(guān)?；蚣友b碳捕集設(shè)備翻新改造的清潔能源發(fā)輸電多階段擴(kuò)展規(guī)劃模型。

盡管目前集成碳捕集設(shè)備的電力系統(tǒng)規(guī)劃已經(jīng)進(jìn)行了大量研究,但集成碳捕集設(shè)備的低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃研究才剛剛起步。考慮到天然氣是相對清潔的化石能源,且燃?xì)怆姀S啟停快、調(diào)峰能力強(qiáng),是可再生電力上網(wǎng)的重要支撐。因此,碳捕集結(jié)合燃?xì)怆姀S是低碳綜合能源系統(tǒng)中碳捕集設(shè)備應(yīng)用的典型場景。計及碳捕集的跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃相比傳統(tǒng)跨區(qū)級綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃主要發(fā)生以下改變:1）設(shè)備間耦合結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,如碳捕集設(shè)備捕集的CO2可作為P2G 生產(chǎn)甲烷的原料,與傳統(tǒng)跨區(qū)級綜合能源系統(tǒng)相比［80］,增強(qiáng)了燃?xì)廨啓C(jī)與P2G 設(shè)備間的耦合程度；2）系統(tǒng)不確定性增強(qiáng),集成碳捕集設(shè)備后,能源系統(tǒng)實(shí)際減排量的核算、碳市場與能源市場間博弈對碳交易價格和能源價格的影響等均為規(guī)劃模型引入了新的不確定因素；3）求解難度提升,集成碳捕集設(shè)備之后,碳捕集設(shè)備類型的選擇、運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整為規(guī)劃模型引入大量0-1 變量；考慮各類不確定因素需在規(guī)劃模型中應(yīng)用多場景分析、隨機(jī)規(guī)劃、魯棒規(guī)劃等方法；計及碳捕集設(shè)備的調(diào)峰特性則可能涉及小時級別的運(yùn)行工況模擬；以上因素均加大了求解難度。

3.2 含高比例清潔能源的跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

為促進(jìn)能源系統(tǒng)降碳,風(fēng)光等可再生能源發(fā)電比例不斷提高。由于風(fēng)光發(fā)電容量系數(shù)較低,若使風(fēng)光發(fā)電滿足大部分負(fù)荷需求,清潔能源電力裝機(jī)容量需遠(yuǎn)超負(fù)荷峰值。在此背景下,含高比例清潔能源的跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)在日內(nèi)運(yùn)行時需充分消納大量過剩電力,及時提供足夠備用容量,在長時間尺度上需解決季節(jié)性電力電量不平衡等問題。為應(yīng)對大規(guī)模風(fēng)光場站接入后帶來的一系列挑戰(zhàn),在跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)能源站規(guī)劃、能源網(wǎng)規(guī)劃、“站網(wǎng)”協(xié)同規(guī)劃時可從多個維度出發(fā)提高可再生能源消納水平。

跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)能源站規(guī)劃方面,可分為在給定能源站結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行站內(nèi)設(shè)備容量規(guī)劃和考慮能源站結(jié)構(gòu)可變的站內(nèi)結(jié)構(gòu)-容量聯(lián)合規(guī)劃兩大類。進(jìn)行站內(nèi)設(shè)備容量規(guī)劃時,大多利用能源母線或能源集線器模型［81］對綜合能源站進(jìn)行建模；進(jìn)行能源站結(jié)構(gòu)-容量聯(lián)合規(guī)劃時,則多基于圖論［82］、分層模型［83］等能源站標(biāo)準(zhǔn)化建模方法。在低碳應(yīng)用場景上,一方面可以從“源”的角度出發(fā),對煤電進(jìn)行以靈活性提升為目的的擴(kuò)展規(guī)劃［84］,提高燃?xì)廨啓C(jī)、碳捕集電廠等靈活性電源比例［85］；充分利用可再生能源出力平滑效應(yīng),進(jìn)行多區(qū)域能源站協(xié)同規(guī)劃。另一方面,各類儲能系統(tǒng)是跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)能源站的重要規(guī)劃對象。短時間尺度上,合理配置電化學(xué)儲能、飛輪等秒級或分鐘級儲能設(shè)備,可在短時間內(nèi)平抑風(fēng)光出力波動；日內(nèi)或日間尺度上,除壓縮空氣儲能、抽水蓄能等電儲能設(shè)備外,還可規(guī)劃儲熱裝置,文獻(xiàn)［86］通過在電-熱綜合能源系統(tǒng)中配置電熱混合儲能系統(tǒng),提高熱電聯(lián)產(chǎn)調(diào)峰深度,促進(jìn)風(fēng)電消納；文獻(xiàn)［87］對光熱電站中儲熱容量進(jìn)行規(guī)劃,利用儲熱設(shè)備平滑光熱電站功率輸出。季度或年等長時間尺度上,長期存儲電能成本較高、損耗較大,通過規(guī)劃P2X 設(shè)備和儲氣設(shè)備,將電能轉(zhuǎn)換為天然氣［51］、氫能［63］、氨氣［88］等便于儲運(yùn)的化工產(chǎn)品長期存儲,既可直接供給多能負(fù)荷,也可用于低碳發(fā)電、供熱,進(jìn)而緩解可再生能源季節(jié)性不平衡現(xiàn)象。此外,也存在清潔電源、儲能、多能轉(zhuǎn)換設(shè)備協(xié)同規(guī)劃模型［89-90］,在整體上提高跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)能源站的靈活性,減少因能源傳輸導(dǎo)致的損耗,促進(jìn)可再生能源消納。

跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)能源網(wǎng)規(guī)劃方面,由于清潔能源富集地和負(fù)荷中心往往跨區(qū)域分布,跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)需借助交直流輸電、天然氣管網(wǎng)、交通運(yùn)輸網(wǎng)等對能源進(jìn)行大規(guī)模遠(yuǎn)距離傳輸,對跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃時,可從以下幾個方面提升可再生能源消納能力:1）充分利用電力系統(tǒng)中傳輸線重構(gòu)等網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,如文獻(xiàn)［60］構(gòu)建了計及電力傳輸線重構(gòu)及電、氣負(fù)荷不確定性的跨區(qū)級綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)擴(kuò)展規(guī)劃模型,優(yōu)化電-氣能源網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案；2）充分利用燃?xì)鈧鬏敼艿拦艽嫣匦?燃?xì)鈿饬髟诠艿乐袀鬏斅?、慣性大的特點(diǎn)使得天然氣管網(wǎng)表現(xiàn)出日調(diào)節(jié)級別的儲能能力,在規(guī)劃時考慮輸氣管道的管存特性有助于緩解可再生能源出力不足或過剩時產(chǎn)生的波動［61］；3）充分考慮能源網(wǎng)與交通網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)的協(xié)同規(guī)劃,交通網(wǎng)方面,跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)可利用水運(yùn)網(wǎng)、鐵路網(wǎng)運(yùn)輸液化天然氣、氫能等,既優(yōu)化輸氣管道建設(shè),又促進(jìn)可再生能源消納；數(shù)據(jù)網(wǎng)方面,利用數(shù)據(jù)中心用能負(fù)荷的空間轉(zhuǎn)移代替多能負(fù)荷的傳輸,可在緩解輸電線路阻塞的同時平抑可再生能源的波動。

跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)“站網(wǎng)”協(xié)同規(guī)劃方面,目前相關(guān)研究較少,但含高比例可再生能源的跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)“站網(wǎng)”協(xié)同規(guī)劃有利于優(yōu)化資源配置,在促進(jìn)可再生能源消納的同時實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。在具體規(guī)劃中,一方面應(yīng)注意到能源站與能源網(wǎng)投資主體往往不同,需考慮不同投資主體之間的博弈關(guān)系,采用分布式的規(guī)劃方法；另一方面,在含高比例可再生能源的跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)中,可再生能源出力的不確定性將對“站網(wǎng)”規(guī)劃產(chǎn)生顯著影響,文獻(xiàn)［91］基于條件風(fēng)險價值模型描述風(fēng)電出力的不確定性,建立跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)“站網(wǎng)”隨機(jī)規(guī)劃模型；除隨機(jī)規(guī)劃模型外,針對不確定性問題還可考慮計及多源協(xié)同的魯棒規(guī)劃、自適應(yīng)魯棒規(guī)劃模型等,提高優(yōu)化決策的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

4 區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃要解決的問題是如何通過對綜合能源站、多類型分布式清潔能源、多元儲能及能源輸送管線的優(yōu)化設(shè)計,充分利用區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)多能互補(bǔ)的優(yōu)勢和豐富的靈活性資源,促進(jìn)清潔能源消納,在各層級能源系統(tǒng)減排進(jìn)程中發(fā)揮好“承上啟下”的作用。如圖6 所示,區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃對象既包括風(fēng)、光、小水電、生物質(zhì)、地?zé)帷淠艿榷嘣闹行⌒头植际角鍧嵞茉瓷a(chǎn)轉(zhuǎn)換單元,也包括電/氣/熱/冷多類型的儲能單元和能源輸送管線；此外,由于區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)與市政交通網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)的融合更加深入［20］,在規(guī)劃中也存在綜合能源站與電動汽車充能站、數(shù)據(jù)中心等“多站合一”的規(guī)劃方式。

圖6 區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵元素Fig.6 Key elements of district-level low-carbon integrated energy system planning

碳排放量核算是區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的基礎(chǔ)。區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲各能源環(huán)節(jié)互動頻繁,因此,在對區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)碳排放量進(jìn)行核算時,既可從能源供給端出發(fā),利用碳排放系數(shù)法［73］、全生命周期法［75］等方法計算區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)碳排放；也可從能源消費(fèi)端出發(fā)。如文獻(xiàn)［92］針對電力系統(tǒng)提出的碳流分析法,在計算系統(tǒng)碳排放的同時兼顧了系統(tǒng)運(yùn)行特性和網(wǎng)絡(luò)特性；文獻(xiàn)［93］基于天然氣碳排放因子對天然氣系統(tǒng)碳流進(jìn)行計算,將碳流分析法進(jìn)一步推廣到電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)。

4.1 計及多類型分布式清潔能源的區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

雖然清潔能源增長以風(fēng)光為主,但區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)中通常還因地制宜集成小水電、生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、地源熱泵等其他中小型分布式清潔能源。多類型的中小型分布式清潔能源有利于實(shí)現(xiàn)源側(cè)互補(bǔ),平抑單一類型清潔能源出力的波動性:文獻(xiàn)［94］針對獨(dú)立農(nóng)業(yè)設(shè)施提出了一種耦合風(fēng)、光、地?zé)岬睦錈犭娐?lián)供（combined cooling,heating and power,CCHP）系統(tǒng)容量規(guī)劃模型,并分析了季節(jié)差異對設(shè)備容量的影響；文獻(xiàn)［57］建立了集成太陽能和地?zé)崮艿腃CHP 系統(tǒng),根據(jù)季節(jié)和電價優(yōu)化地源熱泵出力比,提高系統(tǒng)靈活性,促進(jìn)清潔能源消納；文獻(xiàn)［95］對集成生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、光伏、地源熱泵等清潔能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)設(shè)備容量進(jìn)行規(guī)劃,得出了多種清潔能源綜合供能模式可大幅降低碳排放,提高能源利用效率的結(jié)論。另外,作為高效的非碳能源,氫能在區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。一方面,電解水制氫可消納多余的風(fēng)光發(fā)電,將電力以氫能的形式存儲,如文獻(xiàn)［96］基于全生命周期法,構(gòu)建了以全生命周期成本最低和年CO2排放量最小的多目標(biāo)規(guī)劃模型,對電氫轉(zhuǎn)換儲能系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、光伏等設(shè)備容量進(jìn)行規(guī)劃；文獻(xiàn)［97］設(shè)計了一種風(fēng)-光-氫-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合供能系統(tǒng),建立計及“源荷”不確定性和主要設(shè)備N-1 的低碳綜合能源站魯棒規(guī)劃模型,并利用列與約束生成（column-and-constraint generation,C&CG）算法求解,驗證了季節(jié)性儲氫和電解槽熱回收對促進(jìn)可再生能源消納的積極作用。另一方面,氫能作為一種清潔的二次能源,既可為氫內(nèi)燃機(jī)供能,也可轉(zhuǎn)化為天然氣、氨等其他燃料。文獻(xiàn)［98］設(shè)計了氫基綜合能源系統(tǒng)與運(yùn)輸系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型,通過燃料電池電動車、氫燃料站、地下儲氫庫等促進(jìn)能源、交通系統(tǒng)聯(lián)合去碳。

目前,國內(nèi)外計及多類型分布式清潔能源的區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃示范項目有不少已經(jīng)落地或在建,如中國蘇州同里綜合能源服務(wù)中心示范工程、安徽小崗村美麗鄉(xiāng)村綜合智慧能源示范項目、加拿大耶洛奈夫鎮(zhèn)項目、瑞士未來能源網(wǎng)絡(luò)項目等。其中,大多數(shù)項目都通過集成風(fēng)光發(fā)電、地源熱泵、太陽能熱水提升清潔能源利用比例,也有部分項目因地制宜利用其他分布式清潔能源,如中國安徽小崗村美麗鄉(xiāng)村綜合智慧能源示范項目針對鄉(xiāng)村生物質(zhì)資源豐富的優(yōu)勢,建設(shè)了生物質(zhì)能源站；加拿大耶洛奈夫鎮(zhèn)項目因地制宜增設(shè)海水源熱泵和潮汐能發(fā)電等。

4.2 計及多類型靈活性資源的區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

隨著可再生能源比例的增長,區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)中“源荷”不確定性不斷增強(qiáng),充足的靈活性資源有利于保障能源安全、可靠、綠色供給。區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)集成多種能源形式,具有復(fù)雜多樣的互動機(jī)制和互聯(lián)形態(tài),多元儲能、綜合需求響應(yīng)等靈活性資源豐富。在規(guī)劃過程中充分挖掘靈活性資源潛力,有助于減少投資,促進(jìn)可再生能源消納,兼顧經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

在計及多元儲能的區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方面,部分研究對儲能設(shè)備容量進(jìn)行規(guī)劃,以提高能源轉(zhuǎn)換設(shè)備調(diào)峰深度,促進(jìn)不同時間尺度下的可再生能源消納:如文獻(xiàn)［99］在電/氣/熱協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)中建立了考慮棄風(fēng)率的蓄熱罐容量規(guī)劃模型,并分析了P2G 熱回收對蓄熱罐容量規(guī)劃的影響；文獻(xiàn)［70］考慮了電能存儲的無功功率和多種儲能效率對區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)能源利用效率的影響,進(jìn)行電/熱/冷儲能協(xié)同優(yōu)化配置,較分別優(yōu)化單一能源形式的儲能進(jìn)一步降低系統(tǒng)碳排放。另外,還有部分研究考慮多元儲能裝置與能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的協(xié)同規(guī)劃,在整體上降低CO2排放,如文獻(xiàn)［100］建立了考慮P2G 和電/熱/氫多元儲能的區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型,驗證了P2G 及多元儲能協(xié)同促進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能減排的效果。

在計及綜合需求響應(yīng)的區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方面,目前的研究大致可分為兩類:部分研究根據(jù)多能負(fù)荷參與需求響應(yīng)的方式建立不同的需求響應(yīng)模型,分析綜合需求響應(yīng)對規(guī)劃的影響,如文獻(xiàn)［101］將柔性多能負(fù)荷分為可削減負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可替代負(fù)荷,基于證據(jù)理論提出一種考慮需求響應(yīng)不確定性的綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化配置方法,有效實(shí)現(xiàn)削峰填谷。另外,還有部分研究以綜合需求響應(yīng)為紐帶,在規(guī)劃時考慮區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)與交通、信息等其他系統(tǒng)的互聯(lián)互動。在能源、交通系統(tǒng)互動方面,通過能源站耦合電動汽車充電站［102］、天然氣汽車充氣站［103］；在考慮交通流量調(diào)度的前提下,對多區(qū)域能源站站內(nèi)設(shè)備容量協(xié)同規(guī)劃,可緩解清潔能源汽車無序充電/氣加大負(fù)荷峰谷差的問題,降低區(qū)外購能,促進(jìn)清潔能源就地消納。在能源、信息系統(tǒng)互動方面,文獻(xiàn)［104］通過考慮數(shù)據(jù)負(fù)載平移和建筑熱慣性挖掘數(shù)據(jù)中心電-熱綜合需求響應(yīng)潛力,實(shí)現(xiàn)能源站站內(nèi)設(shè)備容量的優(yōu)化。另外,還有研究考慮區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)與智慧物流中心協(xié)同規(guī)劃,如考慮LNG 冷能為冷鏈物流中心供冷［105］,可顯著提升能效,大幅降低碳排放。

在計及多元儲能、綜合需求響應(yīng)等多種靈活性資源的區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方面,規(guī)劃模型中可能考慮包括多元儲能和綜合需求響應(yīng)在內(nèi)的多種靈活性資源,如文獻(xiàn)［106］在雙層隨機(jī)規(guī)劃模型中引入了多元儲能和電-熱綜合需求響應(yīng),并利用多場景理論考慮了多能負(fù)荷及綜合需求響應(yīng)的不確定性,促進(jìn)分布式可再生能源消納；文獻(xiàn)［107］建立了數(shù)據(jù)中心與電池儲能的一體化選址定容規(guī)劃模型,有效提升了時間和空間上的靈活性；文獻(xiàn)［108］在計及可削減負(fù)荷參與綜合需求響應(yīng)的同時,在城市多能源配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃模型中引入小時級別的配電網(wǎng)重構(gòu),提高系統(tǒng)調(diào)峰能力。通過充分挖掘多類型靈活性資源,有利于平抑可再生能源接入?yún)^(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)造成的波動,解決高比例清潔能源消納難題。

目前,不少計及多類型靈活性資源的區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃項目已經(jīng)投入運(yùn)行或在建,極大地提升了區(qū)域能源利用效率,并從多方面帶來綜合收益:如利用區(qū)域能源管理系統(tǒng)進(jìn)行分布式能源、儲能和需求側(cè)管理的日本柏葉智慧城市項目；集成電儲能、電動汽車、分布式光伏和微型熱電聯(lián)產(chǎn)的美國山核桃街項目；中國合肥集光伏電站、儲能站、5G基站、電動汽車充電站、數(shù)據(jù)中心、換電站、北斗地基增強(qiáng)站功能為一體的“多站融合”項目；集成了綜合能源站、LNG 汽車加氣站、LNG 漁船加注站的中國青島董家口冷鏈物流基地LNG 綜合能源中心項目等。

5 用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃需要解決的主要問題是如何通過對建筑內(nèi)小微型能源轉(zhuǎn)換設(shè)備、儲能設(shè)備及用能設(shè)備的選型定容,在考慮用戶用能及建筑特性的前提下,提升清潔能源比例、節(jié)約建筑能耗,從而降低用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)的碳排放。如圖7 所示,用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃對象主要為建筑范圍內(nèi)的風(fēng)、光、地?zé)岬刃∥⑿颓鍧嵞茉?熱水罐、小型電儲能等儲能設(shè)備；此外,也有可能通過用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)和低碳建筑元素聯(lián)合規(guī)劃,在整體上實(shí)現(xiàn)節(jié)能低碳。

圖7 用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵元素Fig.7 Key elements of user-level low-carbon integrated energy system planning

在對用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃之前,應(yīng)首先明確用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)碳排放核算方法。由于能源設(shè)備類型較少、能源系統(tǒng)規(guī)模較小等因素,用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)碳排放核算通常與建筑整體碳排放核算有機(jī)結(jié)合,如文獻(xiàn)［109］基于動態(tài)生命周期評估法,分析了建筑不同壽命階段對系統(tǒng)整體碳排放的影響；此外,根據(jù)研究目標(biāo)的不同,對于能源設(shè)備類型有限的用戶級低碳綜合能源系統(tǒng),也可在地源熱泵［110］、光伏［111］、CCHP［112］等能源設(shè)備碳排放單獨(dú)核算的基礎(chǔ)上對用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)整體碳排放量進(jìn)行計算。

針對上文中用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)的特點(diǎn),在規(guī)劃時一方面可通過充分利用建筑空間提高可再生能源裝機(jī)容量促進(jìn)減排:如文獻(xiàn)［113］在一棟兩層建筑的用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃中集成光伏/光熱建筑一體化技術(shù),在提高清潔電力比例的同時,降低了建筑采暖制冷及生活熱水的總能耗；文獻(xiàn)［114］針對低碳建筑提出了一種包括蓄熱裝置在內(nèi)的地?zé)嵯到y(tǒng)規(guī)劃方案,在滿足熱負(fù)荷需求的前提下降低能源系統(tǒng)碳排放。另一方面,在規(guī)劃時考慮小型儲能、新能源汽車、用戶柔性多能負(fù)荷等靈活性資源,有利于緩解用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)的“源荷”波動,提高清潔能源消納量。文獻(xiàn)［115］利用生物質(zhì)能與太陽能的互補(bǔ)性,在考慮光照、多能負(fù)荷和土壤溫度不確定性的前提下,為鄉(xiāng)村離網(wǎng)住宅提出一種基于多場景的雙層隨機(jī)規(guī)劃模型,并利用Benders分解法求解得到各能源設(shè)備的最佳容量；文獻(xiàn)［116］針對住宅低碳綜合能源系統(tǒng),通過電儲能和電熱水器協(xié)同規(guī)劃促進(jìn)光伏消納,緩解光伏出力與住宅負(fù)荷需求不一致造成的“鴨嘴曲線”現(xiàn)象；文獻(xiàn)［117］在高層住宅綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃中集成了制氫、儲氫設(shè)備和氫動力汽車消納部分風(fēng)光出力,同時,回收電解水過程產(chǎn)生的廢熱供給建筑熱負(fù)荷,提升能效、降低碳排放水平；文獻(xiàn)［118］考慮了部分家用電器負(fù)荷可調(diào)對小型風(fēng)光與電儲能規(guī)劃容量的影響,驗證了在電儲能容量有限的情況下,用戶柔性多能負(fù)荷對清潔能源消納的積極作用。

在用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃中考慮建筑被動節(jié)能方法,以“節(jié)能”促進(jìn)減排,實(shí)現(xiàn)“零碳”或“近零碳”建筑是用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)降碳的重要途徑。建筑設(shè)計中的被動式節(jié)能方法,主要指通過因地制宜合理設(shè)計建筑平面布局、朝向、間距、窗墻比、自然通風(fēng)采光系統(tǒng)等,在降低建筑能耗的同時營造一個健康舒適的環(huán)境。但是,建筑被動式節(jié)能與用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃過程中,涉及變量眾多,難以直接求解。針對此問題,文獻(xiàn)［119］為零能耗建筑提出了一種多層規(guī)劃方法對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和建筑綜合能源系統(tǒng)分別進(jìn)行設(shè)計,但是該方法易使規(guī)劃結(jié)果陷入“建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)局部最優(yōu)”和“建筑綜合能源系統(tǒng)局部最優(yōu)”；文獻(xiàn)［120］在文獻(xiàn)［119］的基礎(chǔ)上,通過啟發(fā)式方法進(jìn)一步考慮了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和綜合能源系統(tǒng)間相互作用的影響:如光伏面積大則建筑朝向設(shè)計中更多考慮增加光照促進(jìn)光伏發(fā)電,光伏面積小則建筑朝向設(shè)計中更多考慮減小光照降低制冷負(fù)荷需求等,以此確定最優(yōu)規(guī)劃方案。

目前,中國用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃已有多項落地成果:如中國建筑科學(xué)研究院近零能耗示范樓和青島中德生態(tài)園被動房技術(shù)中心,一方面通過設(shè)計建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、高效照明系統(tǒng)節(jié)約能耗,另一方面利用光伏發(fā)電、地源熱泵、太陽能集熱器、熱回收系統(tǒng)等為樓宇高效供能,大幅降低建筑外部購能；天津北辰商務(wù)中心則進(jìn)一步集成電動汽車充電樁、電儲能等靈活性資源,提升了低碳綜合能源系統(tǒng)的靈活性。國外也取得了諸多項目成果,西班牙Atika住宅、德國巴斯夫“3升房”等典型設(shè)計已經(jīng)作為成功經(jīng)驗向外推廣。

6 挑戰(zhàn)與展望

本文在對能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)及路徑優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)跨區(qū)級、區(qū)域級、用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)的特點(diǎn),梳理并評述了不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀。對比分析不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)的特點(diǎn)、規(guī)劃模型建模方法及要素、不確定性來源及處理方法、規(guī)劃時間尺度、求解方法各方面的共性和差異性,如表1 所示。在規(guī)劃建模方面,跨區(qū)級和區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型中均涉及交通網(wǎng)的參與,但跨區(qū)級交通網(wǎng)大多僅參與能源運(yùn)輸,區(qū)域級交通網(wǎng)中電氣化交通網(wǎng)除參與能源運(yùn)輸外,還具有作為綜合需求響應(yīng)資源的潛力。此外,不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)的規(guī)模不同、研究問題不同,建模要素的顆粒度也有所差別:例如用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)與區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)相比,各能源設(shè)備建模往往較細(xì),更需在規(guī)劃時考慮供能設(shè)備的可運(yùn)行區(qū)間、變工況特性等；區(qū)域級與跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型均涉及多能流的建模,但跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型中電力系統(tǒng)通常采用直流潮流模型,而區(qū)域級則多采用Distflow 潮流模型,模型精確度更高。

表1 不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃對比Table 1 Comparison of low-carbon integrated energy system planning of different levels

在總結(jié)能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)與優(yōu)化路徑、提煉低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)、梳理各層級規(guī)劃要素的基礎(chǔ)上,筆者認(rèn)為未來低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃研究主要面臨以下幾方面的挑戰(zhàn)。

6.1 跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃研究

隨著降碳進(jìn)程的推進(jìn),跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)必將集成大規(guī)模碳捕集設(shè)備和高比例清潔能源。在此背景下,如何挖掘碳捕集設(shè)備在主動捕集CO2之外的被動降碳潛力、如何在不同能源環(huán)節(jié)促進(jìn)高比例可再生能源消納,成為跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃面臨的難題。

目前在碳捕集電廠、集成碳捕集的能源站規(guī)劃相關(guān)研究文獻(xiàn)中,碳捕集過程的建模大多較為粗糙,沒有充分考慮不同碳捕集技術(shù)對規(guī)劃模型的影響。如何通過對碳捕集技術(shù)的精細(xì)化建模提高系統(tǒng)的調(diào)峰深度、進(jìn)一步挖掘低碳綜合能源系統(tǒng)的靈活性是跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃面臨的挑戰(zhàn)之一。在具體規(guī)劃階段,可利用雙層規(guī)劃方法將碳捕集設(shè)備精細(xì)化運(yùn)行模型內(nèi)嵌入跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型中,如在含富氧燃燒電廠的跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型中考慮空分系統(tǒng)和儲氧罐的靈活運(yùn)行,在含燃燒后捕集電廠的跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型中考慮富液存儲器和貧液存儲器流量的優(yōu)化調(diào)度等。此外,碳捕集電廠、大型綜合能源站與自然碳匯手段的結(jié)合也是未來的發(fā)展方向之一。在對規(guī)劃模型進(jìn)行建模時,可考慮低碳綜合能源系統(tǒng)與自然碳匯手段的互動,實(shí)現(xiàn)森林、濕地、海洋等自然碳匯方式與跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化。

為應(yīng)對高比例可再生能源消納帶來的挑戰(zhàn),跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃在源側(cè)應(yīng)充分考慮多能轉(zhuǎn)換設(shè)備與大規(guī)模風(fēng)光場站協(xié)同規(guī)劃,通過將多余的清潔電力轉(zhuǎn)換為氫能、天然氣等便于存儲的其他能源形式,緩解輸電線路阻塞、電量季節(jié)不平衡等問題,促進(jìn)可再生能源消納。在網(wǎng)側(cè),主要可通過在規(guī)劃時考慮輸電線重構(gòu)、輸氣管道管存特性,交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸液化氣與燃?xì)夤艿绤f(xié)同規(guī)劃等方式間接促進(jìn)清潔電力消納。在儲側(cè),隨著清潔能源比例的提高,季節(jié)性儲能成為跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)中的重要元素,為規(guī)劃模型帶來多時間尺度耦合、多場景耦合等問題；此外,考慮到長時間尺度儲能響應(yīng)速度通常較慢,在實(shí)際規(guī)劃中,還需對長短期儲能協(xié)同規(guī)劃進(jìn)行進(jìn)一步探索。通過上述措施在規(guī)劃層面不斷提高清潔能源比例,減少化石燃料燃燒,從而降低跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)碳排放。

6.2 區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃研究

以互聯(lián)互動為特征的區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)具有高度的靈活性。如何在區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃時充分挖掘利用各能源環(huán)節(jié)的靈活性資源,從而促進(jìn)可再生能源消納、提高能源利用率、實(shí)現(xiàn)減排降碳,仍有待進(jìn)一步探索。

在未來區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃中,源側(cè)可計及不同種類分布式清潔能源運(yùn)行特性的互補(bǔ)效應(yīng),實(shí)現(xiàn)考慮多源互補(bǔ)、多園區(qū)互補(bǔ)的區(qū)域級低碳綜合能源站協(xié)同規(guī)劃。與以電-氣為主的跨區(qū)級低碳綜合能源網(wǎng)絡(luò)不同,區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)包含了配電網(wǎng)、配氣網(wǎng)、冷熱管網(wǎng)等多種能源網(wǎng)絡(luò)；在規(guī)劃時,一方面要充分利用配電網(wǎng)重構(gòu)、氣網(wǎng)和冷熱管網(wǎng)的管存特性挖掘網(wǎng)側(cè)的靈活性資源,另一方面也應(yīng)在規(guī)劃時考慮市政公共電動交通網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)負(fù)載空間調(diào)度、區(qū)域冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)等多能負(fù)荷空間轉(zhuǎn)移調(diào)度對供能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的影響。荷側(cè)方面,通過對區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)中可中斷、可平移、可調(diào)節(jié)、可轉(zhuǎn)換多能負(fù)荷進(jìn)行系統(tǒng)分類和精細(xì)化建模,在考慮新能源汽車充能站、5G 基站、數(shù)據(jù)中心、物流系統(tǒng)等多能負(fù)荷大用戶與區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)互聯(lián)互動的基礎(chǔ)上,合理設(shè)計綜合需求響應(yīng)機(jī)制,充分發(fā)揮負(fù)荷側(cè)的調(diào)節(jié)作用。儲側(cè)方面,區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)中儲能類型豐富,適用場景不同。在規(guī)劃過程中應(yīng)考慮多時間尺度、多能源類型儲能協(xié)同規(guī)劃,針對不同的應(yīng)用場景確定不同儲能的配比及容量。另外,在區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃過程中,考慮儲能與“源網(wǎng)荷”多個能源環(huán)節(jié)協(xié)同規(guī)劃,有利于進(jìn)一步提高區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)整體的靈活性和綠色環(huán)保性。通過在規(guī)劃過程中充分考慮源-網(wǎng)-荷-儲互動,電/氣/熱/冷互聯(lián)互濟(jì),可提高區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)可再生能源消納水平,形成綠色環(huán)保的區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案。

6.3 用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃研究

目前對用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的研究較少。為應(yīng)對用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)直接與用戶相連、“源荷”波動性較大的挑戰(zhàn),在未來進(jìn)行相關(guān)研究時,一方面可充分考慮建筑功能特性、建筑所在地氣候等因素對用戶舒適度的影響,進(jìn)行考慮用戶舒適度彈性的用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃；另一方面,由于用戶用能行為復(fù)雜多變,“源荷”預(yù)測難度較大,在未來可考慮發(fā)展針對不同時間尺度的不同預(yù)測方法、模型和數(shù)據(jù)混合驅(qū)動的預(yù)測方法,考慮多能耦合的預(yù)測方法等,通過提高“源荷”預(yù)測的準(zhǔn)確性實(shí)現(xiàn)用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)的精準(zhǔn)規(guī)劃,從而促進(jìn)清潔能源消納,降低系統(tǒng)碳排放。

此外,深度結(jié)合建筑被動節(jié)能方法是未來用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的關(guān)鍵點(diǎn)之一?，F(xiàn)有關(guān)于建筑被動節(jié)能元素與綜合能源系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃的研究中,對二者之間相互作用的考慮明顯不足,具體表現(xiàn)在設(shè)置的耦合變量較少、作用機(jī)制缺少系統(tǒng)性梳理等。在后續(xù)研究中,可充分考慮光伏/光熱建筑一體化設(shè)施等新型低碳建筑材料特性,通過“節(jié)能”進(jìn)一步挖掘用戶級綜合能源系統(tǒng)的減排潛力。

6.4 不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃

目前,低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的研究大多局限在某一層級之內(nèi),但是在能源系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型進(jìn)程中,隨著中小型分布式清潔能源比例的提高,傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中的“發(fā)輸變配用”界限逐漸模糊,能量在不同層級間的流動更加靈活,不同層級之間的互動必然不斷增強(qiáng)。如何科學(xué)有效地進(jìn)行跨層級低碳綜合能源系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃,是未來的挑戰(zhàn)之一。

在對不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃時,針對不同層級、不同能源形式涉及利益主體眾多的問題,應(yīng)建立計及多主體動態(tài)博弈的分布式規(guī)劃模型；針對可再生能源出力、多能負(fù)荷功率、用能價格等不確定性因素眾多的問題,應(yīng)考慮利用靈敏度分析等方法,篩選關(guān)鍵不確定性因素從而降低系統(tǒng)復(fù)雜度,在此基礎(chǔ)上建立基于多場景的隨機(jī)規(guī)劃模型、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的魯棒規(guī)劃模型等。此外,由于不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)的特點(diǎn)不同,跨層級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃可能涉及經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、可靠性等較為多元的優(yōu)化目標(biāo),需建立多目標(biāo)規(guī)劃模型。

由于跨層級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型中涉及利益主體較多、不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)建模方式有所區(qū)別、系統(tǒng)中不確定性因素來源廣泛等原因,跨層級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型往往規(guī)模較大、變量眾多,且存在非凸項、模型求解難度較大。在實(shí)際求解過程中,一方面可以考慮利用各類現(xiàn)代啟發(fā)式算法求解；另一方面可應(yīng)用二階錐松弛、增量線性化、McCormick 松弛等方法將模型轉(zhuǎn)凸,進(jìn)而利用Benders 分解法、C&CG 算法、交替方向乘子法等算法降低問題求解維度,對模型進(jìn)行求解。

6.5 計及碳市場碳交易的低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

隨著減排降碳進(jìn)程的推進(jìn),作為促進(jìn)低碳發(fā)展市場化手段的碳交易市場將不斷擴(kuò)大規(guī)模,碳市場中碳交易活躍程度也必然不斷提升。因此,在對低碳綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃時,需充分考慮低碳綜合能源系統(tǒng)與碳市場互動帶來的影響。

在低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型中,碳捕集收益、碳排放成本等與碳交易密切相關(guān)。在計及碳市場碳交易的前提下,低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型中的目標(biāo)函數(shù)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的計算均需做出相應(yīng)調(diào)整:在長時間尺度上,碳價長期上漲的大趨勢將倒逼能源供給、消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化,因此規(guī)劃時需考慮未來不同減排階段碳價的變化；在短時間尺度上,碳交易市場上碳價的波動將對源側(cè)不同碳排放水平供能主體的供能量和荷側(cè)用電量產(chǎn)生影響,進(jìn)而改變低碳綜合能源系統(tǒng)的能流分布,因此需對不同碳價場景下規(guī)劃方案的可靠性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行分析權(quán)衡。在將來的研究中,通過在規(guī)劃時主動考慮碳市場碳交易的影響,既可借助節(jié)能減排手段降低規(guī)劃方案總成本,又能充分利用市場化方式促進(jìn)能源系統(tǒng)降碳,從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性的兼顧。

7 結(jié)語

雙碳目標(biāo)下,能源系統(tǒng)亟待低碳轉(zhuǎn)型。本文嘗試提煉了低碳綜合能源系統(tǒng)的內(nèi)涵,在對能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)及路徑優(yōu)化分析相關(guān)研究進(jìn)行梳理后,分層級歸納了低碳綜合能源系統(tǒng)的典型特點(diǎn),總結(jié)了低碳綜合能源系統(tǒng)各能源環(huán)節(jié)的低碳要素；在此基礎(chǔ)上,評述了跨區(qū)級、區(qū)域級、用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀；最后,對未來低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的發(fā)展挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望,以期為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供參考。