張沈習，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實驗室（上海交通大學）,上海市 200240；2. 國網(wǎng)經濟技術研究院有限公司,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致氣候形勢日益嚴峻,低碳發(fā)展成為世界各國應對氣候變化的必由之路［1-2］。在全球低碳轉型進程中,美國、日本、加拿大、歐盟等發(fā)達國家和組織紛紛制定氣候戰(zhàn)略,承諾于2050 年實現(xiàn)CO2凈零排放。中國不斷提高國家自主貢獻力度,在2020 年9 月宣布力爭2030年前實現(xiàn)“碳達峰”,2060 年前實現(xiàn)“碳中和”,雙碳目標昭示著中國在低碳發(fā)展道路上進一步加速。

為實現(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、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中心、上海崇明島等多個綜合能源示范工程均證實了綜合能源系統(tǒng)在節(jié)能減排方面的潛力［5-6］。能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃強調繼續(xù)推動綜合能源系統(tǒng)積極有序發(fā)展,促進“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,如何深度推進能源系統(tǒng)減排進程,實現(xiàn)經濟目標和環(huán)境目標的兼顧,成為當下的重要議題。因此,亟須對低碳綜合能源系統(tǒng)展開深入研究。綜合文獻［3］對低碳多能源系統(tǒng)研究框架的評述、文獻［10］對電力系統(tǒng)低碳化關鍵要素的分析、文獻［11］對多能互補思想的闡述等,筆者認為低碳綜合能源系統(tǒng)是通過集成碳捕集技術、提高非碳能源比例、充分調動源-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:1）通過碳捕集技術提高化石能源燃燒效率,捕集能源轉換過程中釋放的CO2進行封存或再利用,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,促進可再生能源消納,進而間接降低碳排放；3）依托碳市場機制設計［17-18］、碳市場和能源市場的協(xié)同互動［19］等市場調節(jié)手段,充分調動各主體的減排積極性,促進能源系統(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)劃產生深刻影響。在實際規(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)模生產和遠距離傳輸?shù)淖饔?；集成了以集中式風光場站、加裝碳捕集設備的大型綜合能源站為代表的產能單元,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)絡為代表的能源遠距離傳輸單元等。區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)包含的異質能源種類最為豐富,主要有能源分配、轉換、傳輸?shù)淖饔?；集成了中小型風光、生物質、地熱等分布式清潔能源,多元儲能設備,經多種能源轉換設備深度耦合的電/氣/熱/冷能源傳輸網(wǎng)絡,基于能源、信息、交通多系統(tǒng)互聯(lián)互動的綜合需求響應體系等。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)能設計密切相關,是低碳建筑的重要組成部分；集成了小微型風光、地熱等清潔能源和小型電儲能、蓄熱罐等儲能設備,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,國內外針對低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃已經展開了部分研究,但是缺少系統(tǒng)性的梳理和歸納。本文首先對現(xiàn)階段能源轉型目標和路徑優(yōu)化方法進行總結,之后歸納分析了碳捕集技術建模方法和不同能源環(huán)節(jié)的可再生能源消納技術；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)進行了展望。

1 能源轉型目標及路徑優(yōu)化分析

2020 年9 月,中國提出“碳達峰”“碳中和”的戰(zhàn)略目標。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)達國家,中國碳排放總量較大,“碳達峰”到“碳中和”的時間更緊、減排任務更重,雙碳目標的實現(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)被普遍認為是實現(xiàn)深度減排的關鍵［22］。能源轉型的根本目標在于構建清潔、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互濟。

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

針對中國目前能源結構偏煤、能效偏低的特點［24］,國內學者在能源轉型路徑優(yōu)化分析上開展了大量研究。文獻［25］利用電力行業(yè)長期規(guī)劃與短期運行聯(lián)合優(yōu)化模型,研究了4 種不同排放目標下電力行業(yè)的低碳轉型路徑,并針對轉型過程中可再生能源擴張、煤電提前退出、碳捕集技術應用和轉型投資保障4 個關鍵問題做出進一步分析。文獻［26］結合中國城市化進程不斷加速的具體國情,對城市能源系統(tǒng)在能源轉型過程中的形態(tài)演化路徑進行分析,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［27］構建了計及多能耦合轉換、儲能等新能源多元化利用方式的全鏈條技術經濟評價模型,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)同路徑進行對比分析,強調了未來電制氫、電制甲醇等P2X 技術的重要調節(jié)作用。

除能源行業(yè)整體轉型路徑優(yōu)化的相關研究外,也有部分學者針對清潔能源替代、碳捕集技術的應用等具體某一方面的發(fā)展進行了路徑分析。在清潔能源替代方面,文獻［28］基于實際運行數(shù)據(jù),從電力平衡和電量平衡兩方面分析了能源轉型道路上包含儲能、需求側資源在內的多時間尺度調節(jié)體系對于新能源替代的關鍵作用；文獻［29］針對國內水電發(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。在碳捕集技術的應用方面,文獻［30］梳理了中國碳捕集和封存利用（carbon capture,utilization,and storage,CCUS）技術的發(fā)展現(xiàn)狀,對2025—2050 年CCUS 技術的產業(yè)化能力、部署規(guī)模等方面的發(fā)展進行了路徑優(yōu)化；文獻［31］參考國際經驗,對中國CCUS 項目與碳交易市場銜接路徑進行分析,提出建立CCUS 項目減排證書制度、配額拍賣補貼機制等建議。在碳市場機制設計方面,文獻［32-33］基于信息論和行為學對碳市場風險及控制方式進行了框架設計,并參考沙盤推演理念,利用模擬仿真方法對碳市場發(fā)展路徑進行推演。

此外,自然碳匯手段也是中國低碳化轉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)低碳化轉型的道路上,主要可通過碳匯市場利用自然碳匯手段:文獻［34］基于實際調研數(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［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制,為自然碳匯市場價格制定提供了新途徑。

2 碳捕集技術建模及可再生能源消納技術

國際能源署（International Energy Agency,IEA）指出,應對氣候挑戰(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促進能源利用的提質增效,另一方面合理配置碳捕集設備主動捕集CO2,實現(xiàn)了IEA 所提減排手段的有機結合。

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)低碳化進程中,跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)由于能源生產、傳輸規(guī)模較大,具有較高的減排潛力:如在能源生產方面,通過集成大規(guī)模風光場站、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)產能單元；針對風光出力的間歇性和隨機性,配備大規(guī)模季節(jié)性儲能,促進可再生能源消納。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,潛在的需求響應資源十分龐大；豐富的靈活性資源在促進風光、地熱、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)同設計、可再生能源建筑一體化技術等手段實現(xiàn)減排。

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

本章將關鍵減排要素分為通過碳捕集主動減排和通過促進可再生能源消納間接減排兩大類,總結了碳捕集技術建模方法及其在低碳綜合能源系統(tǒng)中的典型應用場景,并從源-網(wǎng)-荷-儲4 個方面歸納了促進可再生能源消納的具體技術,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 碳捕集技術建模及應用場景

2.1.1 碳捕集技術建模方法

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)均可加裝碳捕集設備。碳捕集技術一般分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒3 類［30］。其中,燃燒后捕集技術發(fā)展較為成熟、應用相對廣泛、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進行了深入研究,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,調節(jié)碳捕集水平β可改變其凈輸出功率。在實際運行中,可通過分流模式或溶液存儲模式迅速調節(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,提高其下調峰深度,進而為電力系統(tǒng)提供調峰、負荷跟蹤等輔助服務［41］。

現(xiàn)有研究中,在進行碳捕集系統(tǒng)規(guī)劃時通常考慮投資成本、運行成本和捕集后的CO2運輸及封存成本。其中,投資成本與運行成本建模方面,可分為對碳捕集電廠發(fā)電成本整體建模［42］和對碳捕集設備投資及運行成本單獨建模［43］兩種方式。文獻［42］在傳統(tǒng)火電廠發(fā)電成本模型的基礎上,推導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［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備類型的不同,并對相應碳捕集設備投資成本和運行成本進行建模。對于捕集后CO2運輸及封存成本的計算,既存在以CO2捕集量為變量,對運輸及儲存整體成本進行估算的方式［44］；也有根據(jù)運輸距離計算管道運輸成本［43］或其他運輸方式的CO2運輸成本［45］,根據(jù)CO2封存量計算CO2封存成本［46］等單獨計算運輸及封存成本的計算模型。除碳捕集的各項成本外,文獻［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、食品的冷藏儲運等,每噸CO2也可享受20.22 美元的收益。

2.1.2 碳捕集技術的典型應用場景

在低碳綜合能源系統(tǒng)背景下,碳捕集技術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,碳捕集技術的應用范圍得到進一步拓展:天然氣去碳［47］、生物質燃料去碳［48］、生物質結合煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電［49］燃燒前捕集技術在低碳綜合能源系統(tǒng)中的應用日益廣泛,提高了綜合能源系統(tǒng)產能設備的清潔性；富氧燃燒電廠通過空分制氧裝置和儲氧罐協(xié)同優(yōu)化實現(xiàn)調峰［12］,且可通過合理配備余熱回收裝置進一步降低成本。另一方面,碳捕集技術結合多能轉換,有利于提高系統(tǒng)靈活性,促進可再生能源消納。其中,碳捕集電廠結合電轉氣（power to gas,P2G）成為典型的應用場景:配備碳捕集設備的煤電廠［39,50］、燃氣電廠［51］利用捕集的CO2和P2G 設備生產甲烷和氫氣,實現(xiàn)能源系統(tǒng)內的碳循環(huán)利用；同時,CCPP-P2G 結合儲氣罐協(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［52］通過CCPP-P2G 與液化天然氣（liquefied natural gas,LNG）氣化站相配合實現(xiàn)電/氣/冷網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化,碳捕集設備捕集的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量。文獻［53］在電-熱綜合能源系統(tǒng)中加裝碳捕集裝置,提高機組下調峰能力,同時通過電鍋爐與儲熱裝置協(xié)調供熱打破熱電聯(lián)產機組“以熱定電”的剛性約束,促進風電消納。

2.2 可再生能源消納技術

可再生能源往往具有較強的隨機性和間歇性。在能源系統(tǒng)低碳化進程中,為應對大規(guī)模可再生能源接入帶來的挑戰(zhàn),低碳綜合能源系統(tǒng)可充分調動各個能源環(huán)節(jié)的靈活性資源,如圖4 所示。通過利用多源互補、靈活性網(wǎng)絡資源、綜合需求響應以及多元儲能等,平抑可再生能源帶來的波動,促進可再生能源消納。

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 源側支撐可再生能源消納

低碳綜合能源系統(tǒng)源側主要通過多源互補促進可再生能源消納,多源互補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的協(xié)同建模通常應用于集成大規(guī)模風-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,地理位置遠距離分散的同種可再生能源往往具有互補效應,如不同區(qū)域風電場出力匯聚后產生平滑效應［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、光、水等可再生能源協(xié)同建模有助于在日內及日間、季節(jié)等多個時間尺度實現(xiàn)互補［55-56］,在整體上緩解可再生能源出力隨機性對能源系統(tǒng)造成的沖擊。

多種能源形式在源側的協(xié)同建模更多應用于集成了風光、地熱、生物質、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)。通過太陽能和地熱能耦合［57］、太陽能和生物質能耦合［58］等多種可再生能源協(xié)同規(guī)劃、調度,克服可再生能源間歇性出力的缺點。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,實現(xiàn)經濟性與環(huán)保性的兼顧［59］。

2.2.2 網(wǎng)側支撐可再生能源消納

低碳綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)側主要利用供能網(wǎng)絡的靈活性促進可再生能源消納,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、氣熱（冷）管網(wǎng)管存特性等電/氣/熱/冷能源網(wǎng)絡自身的靈活性資源,提高系統(tǒng)調峰能力和供能可靠性,如文獻［60］在基于信息間隙決策理論考慮電、氣負荷不確定性的前提下,利用電力傳輸線重構擴大優(yōu)化空間,以應對多能負荷的波動；文獻［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了天然氣管網(wǎng)儲能特性應對負荷波動的緩沖機理；在熱網(wǎng)儲能特性建模方面,文獻［62］建立了考慮空間時間多尺度補償?shù)墓釞C組鍋爐和熱網(wǎng)儲能模型；文獻［63］引入熱網(wǎng)影響因子改進換熱段溫度計算,建立可在機組故障停機工況下計算熱網(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)絡的沖擊,促進可再生能源消納。

考慮能源網(wǎng)與交通網(wǎng)、信息網(wǎng)協(xié)同建模時,水運網(wǎng)［64］、鐵路網(wǎng)［16］運輸液化燃氣,數(shù)據(jù)負載空間調度轉移數(shù)據(jù)中心用能負荷［65］等方式可作為供能管線的補充,直接或間接實現(xiàn)能源空間傳輸,在宏觀上提高供能網(wǎng)絡的靈活性。深入挖掘網(wǎng)側的靈活性資源,有助于緩解高比例可再生能源接入帶來的供能網(wǎng)絡阻塞、調峰調頻靈活性資源不足等問題,從而促進可再生能源消納。

2.2.3 荷側支撐可再生能源消納

低碳綜合能源系統(tǒng)荷側主要通過多能負荷的綜合需求響應促進可再生能源消納。在對多能負荷單獨建模時,可考慮不同能源形式負荷在負荷波動頻率、用戶容忍度范圍、用能量等方面的不同特征,如熱負荷相比電負荷通常慣性較大、波動頻率較低、需求響應潛力更大［66］。在對多能負荷整體建模時,一方面,不同區(qū)域多能負荷的用能高峰并不完全相同,可在考慮多能負荷時序互補特性的基礎上,進一步分析多能負荷的空間互補特性［67］,減小整體峰谷差率。另一方面,不同能源形式的需求響應也存在耦合,在削減某一類負荷時可能影響其他多能負荷用能量。針對此問題,文獻［15］利用可轉換負荷模型進行建模,也可通過建立耦合響應特性矩陣描述多能負荷的耦合效應［68-69］。建立準確合理的綜合需求響應模型,有助于激發(fā)低碳綜合能源系統(tǒng)荷側的靈活性,提高系統(tǒng)消納可再生能源的能力。

2.2.4 儲側支撐可再生能源消納

低碳綜合能源系統(tǒng)儲側的多元儲能設備是促進可再生能源消納的重要環(huán)節(jié),根據(jù)研究目標的不同可從以下幾方面進行建模:1）考慮不同能源形式互補建模,如文獻［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,相比單獨建模實現(xiàn)了更低的運營成本與碳排放；2）不同時間尺度互補建模,如文獻［71］針對季節(jié)性儲能時間尺度與系統(tǒng)運行時間尺度不一致的問題,提出了一種運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、能源轉換設備等其他能源環(huán)節(jié)協(xié)同建模,如文獻［72］建立了一種風-核-氫非碳能源系統(tǒng),通過電解水制氫消納多余風電,同時儲氫罐中的氫能可作為一種綠色的調峰資源。因此,在對低碳綜合能源系統(tǒng)中儲能設備進行建模時,充分考慮不同能源形式、不同時間尺度、不同應用場景下多元儲能間的互補效應,有助于平抑可再生能源隨機性造成的供能波動,促進可再生能源消納。

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,高效經濟地實現(xiàn)綠色能源的大規(guī)模生產和遠距離傳輸。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,可在能源生產環(huán)節(jié)實現(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)劃模型中目標函數(shù)的計算、碳排放約束的設置等均需先對系統(tǒng)碳排放量進行核算。由于跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)主要承擔能源大規(guī)模生產和遠距離輸送的責任,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出發(fā):如文獻［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［74］進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

當前碳捕集設備的投資成本、運行成本仍相對較高,大型碳捕集電廠因規(guī)模效應在技術經濟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備更具現(xiàn)實意義。

含碳捕集設備的電力系統(tǒng)規(guī)劃已經在碳捕集裝置、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［42］考慮了多種碳捕集技術對火電廠能耗和發(fā)電成本的不同影響,文獻［46］引入技術成熟度因子衡量碳捕集技術發(fā)展的階段性和不確定性。在碳捕集電廠規(guī)劃方面:文獻［76］在計及燃料來源、電力負荷、CO2封存地點等因素的基礎上對碳捕集電廠選址進行規(guī)劃；文獻［77］考慮了碳捕集技術在不同階段投資成本的變化,將碳捕集機組和碳捕集預留機組同時作為待規(guī)劃機組,以較小的投資成本增量為碳捕集設備預留接口。在計及碳捕集的電力系統(tǒng)規(guī)劃方面:文獻［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)絡線容量進行協(xié)同規(guī)劃；文獻［79］建立考慮老化火電廠關?；蚣友b碳捕集設備翻新改造的清潔能源發(fā)輸電多階段擴展規(guī)劃模型。

盡管目前集成碳捕集設備的電力系統(tǒng)規(guī)劃已經進行了大量研究,但集成碳捕集設備的低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃研究才剛剛起步?？紤]到天然氣是相對清潔的化石能源,且燃氣電廠啟?？?、調峰能力強,是可再生電力上網(wǎng)的重要支撐。因此,碳捕集結合燃氣電廠是低碳綜合能源系統(tǒng)中碳捕集設備應用的典型場景。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）設備間耦合結構更復雜,如碳捕集設備捕集的CO2可作為P2G 生產甲烷的原料,與傳統(tǒng)跨區(qū)級綜合能源系統(tǒng)相比［80］,增強了燃氣輪機與P2G 設備間的耦合程度；2）系統(tǒng)不確定性增強,集成碳捕集設備后,能源系統(tǒng)實際減排量的核算、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,集成碳捕集設備之后,碳捕集設備類型的選擇、運行狀態(tài)的調整為規(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)劃模型中應用多場景分析、隨機規(guī)劃、魯棒規(guī)劃等方法；計及碳捕集設備的調峰特性則可能涉及小時級別的運行工況模擬；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

為促進能源系統(tǒng)降碳,風光等可再生能源發(fā)電比例不斷提高。由于風光發(fā)電容量系數(shù)較低,若使風光發(fā)電滿足大部分負荷需求,清潔能源電力裝機容量需遠超負荷峰值。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)在日內運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。為應對大規(guī)模風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構的基礎上進行站內設備容量規(guī)劃和考慮能源站結構可變的站內結構-容量聯(lián)合規(guī)劃兩大類。進行站內設備容量規(guī)劃時,大多利用能源母線或能源集線器模型［81］對綜合能源站進行建模；進行能源站結構-容量聯(lián)合規(guī)劃時,則多基于圖論［82］、分層模型［83］等能源站標準化建模方法。在低碳應用場景上,一方面可以從“源”的角度出發(fā),對煤電進行以靈活性提升為目的的擴展規(guī)劃［84］,提高燃氣輪機、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,進行多區(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,合理配置電化學儲能、飛輪等秒級或分鐘級儲能設備,可在短時間內平抑風光出力波動；日內或日間尺度上,除壓縮空氣儲能、抽水蓄能等電儲能設備外,還可規(guī)劃儲熱裝置,文獻［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)產調峰深度,促進風電消納；文獻［87］對光熱電站中儲熱容量進行規(guī)劃,利用儲熱設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 設備和儲氣設備,將電能轉換為天然氣［51］、氫能［63］、氨氣［88］等便于儲運的化工產品長期存儲,既可直接供給多能負荷,也可用于低碳發(fā)電、供熱,進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、多能轉換設備協(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,減少因能源傳輸導致的損耗,促進可再生能源消納。

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)、交通運輸網(wǎng)等對能源進行大規(guī)模遠距離傳輸,對跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)能源網(wǎng)絡進行規(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)中傳輸線重構等網(wǎng)架結構優(yōu)化方法,如文獻［60］構建了計及電力傳輸線重構及電、氣負荷不確定性的跨區(qū)級綜合能源系統(tǒng)多目標擴展規(guī)劃模型,優(yōu)化電-氣能源網(wǎng)絡規(guī)劃方案；2）充分利用燃氣傳輸管道管存特性,燃氣氣流在管道中傳輸慢、慣性大的特點使得天然氣管網(wǎng)表現(xiàn)出日調節(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)可利用水運網(wǎng)、鐵路網(wǎng)運輸液化天然氣、氫能等,既優(yōu)化輸氣管道建設,又促進可再生能源消納；數(shù)據(jù)網(wǎng)方面,利用數(shù)據(jù)中心用能負荷的空間轉移代替多能負荷的傳輸,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,在促進可再生能源消納的同時實現(xiàn)最優(yōu)的經濟和環(huán)境效益。在具體規(guī)劃中,一方面應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)劃產生顯著影響,文獻［91］基于條件風險價值模型描述風電出力的不確定性,建立跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)“站網(wǎng)”隨機規(guī)劃模型；除隨機規(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、自適應魯棒規(guī)劃模型等,提高優(yōu)化決策的經濟性和可靠性。

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)化設計,充分利用區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)多能互補的優(yōu)勢和豐富的靈活性資源,促進清潔能源消納,在各層級能源系統(tǒng)減排進程中發(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、光、小水電、生物質、地熱、氫能等多元化的中小型分布式清潔能源生產轉換單元,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。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；也可從能源消費端出發(fā)。如文獻［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)運行特性和網(wǎng)絡特性；文獻［93］基于天然氣碳排放因子對天然氣系統(tǒng)碳流進行計算,將碳流分析法進一步推廣到電-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、生物質熱電聯(lián)產機組、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現(xiàn)源側互補,平抑單一類型清潔能源出力的波動性:文獻［94］針對獨立農業(yè)設施提出了一種耦合風、光、地熱的冷熱電聯(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)差異對設備容量的影響；文獻［57］建立了集成太陽能和地熱能的CCHP 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,促進清潔能源消納；文獻［95］對集成生物質熱電聯(lián)產機組、光伏、地源熱泵等清潔能源轉換設備的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)設備容量進行規(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)中的應用日益廣泛。一方面,電解水制氫可消納多余的風光發(fā)電,將電力以氫能的形式存儲,如文獻［96］基于全生命周期法,構建了以全生命周期成本最低和年CO2排放量最小的多目標規(guī)劃模型,對電氫轉換儲能系統(tǒng)、風機、光伏等設備容量進行規(guī)劃；文獻［97］設計了一種風-光-氫-燃氣輪機聯(lián)合供能系統(tǒng),建立計及“源荷”不確定性和主要設備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,既可為氫內燃機供能,也可轉化為天然氣、氨等其他燃料。文獻［98］設計了氫基綜合能源系統(tǒng)與運輸系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型,通過燃料電池電動車、氫燃料站、地下儲氫庫等促進能源、交通系統(tǒng)聯(lián)合去碳。

目前,國內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落地或在建,如中國蘇州同里綜合能源服務中心示范工程、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)絡項目等。其中,大多數(shù)項目都通過集成風光發(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)村生物質資源豐富的優(yōu)勢,建設了生物質能源站；加拿大耶洛奈夫鎮(zhèn)項目因地制宜增設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,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,具有復雜多樣的互動機制和互聯(lián)形態(tài),多元儲能、綜合需求響應等靈活性資源豐富。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,促進可再生能源消納,兼顧經濟性和環(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,部分研究對儲能設備容量進行規(guī)劃,以提高能源轉換設備調峰深度,促進不同時間尺度下的可再生能源消納:如文獻［99］在電/氣/熱協(xié)同調度系統(tǒng)中建立了考慮棄風率的蓄熱罐容量規(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［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換設備的協(xié)同規(guī)劃,在整體上降低CO2排放,如文獻［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)同促進系統(tǒng)節(jié)能減排的效果。

在計及綜合需求響應的區(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)多能負荷參與需求響應的方式建立不同的需求響應模型,分析綜合需求響應對規(guī)劃的影響,如文獻［101］將柔性多能負荷分為可削減負荷、可轉移負荷和可替代負荷,基于證據(jù)理論提出一種考慮需求響應不確定性的綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化配置方法,有效實現(xiàn)削峰填谷。另外,還有部分研究以綜合需求響應為紐帶,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］；在考慮交通流量調度的前提下,對多區(qū)域能源站站內設備容量協(xié)同規(guī)劃,可緩解清潔能源汽車無序充電/氣加大負荷峰谷差的問題,降低區(qū)外購能,促進清潔能源就地消納。在能源、信息系統(tǒng)互動方面,文獻［104］通過考慮數(shù)據(jù)負載平移和建筑熱慣性挖掘數(shù)據(jù)中心電-熱綜合需求響應潛力,實現(xiàn)能源站站內設備容量的優(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在內的多種靈活性資源,如文獻［106］在雙層隨機規(guī)劃模型中引入了多元儲能和電-熱綜合需求響應,并利用多場景理論考慮了多能負荷及綜合需求響應的不確定性,促進分布式可再生能源消納；文獻［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［108］在計及可削減負荷參與綜合需求響應的同時,在城市多能源配電網(wǎng)擴展規(guī)劃模型中引入小時級別的配電網(wǎng)重構,提高系統(tǒng)調峰能力。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)劃項目已經投入運行或在建,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)進行分布式能源、儲能和需求側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小微型能源轉換設備、儲能設備及用能設備的選型定容,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的風、光、地熱等小微型清潔能源,熱水罐、小型電儲能等儲能設備；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)進行規(guī)劃之前,應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結合,如文獻［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)研究目標的不同,對于能源設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］等能源設備碳排放單獨核算的基礎上對用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)整體碳排放量進行計算。

針對上文中用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)的特點,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容量促進減排:如文獻［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,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［114］針對低碳建筑提出了一種包括蓄熱裝置在內的地熱系統(tǒng)規(guī)劃方案,在滿足熱負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［115］利用生物質能與太陽能的互補性,在考慮光照、多能負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規(guī)劃模型,并利用Benders分解法求解得到各能源設備的最佳容量；文獻［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)劃促進光伏消納,緩解光伏出力與住宅負荷需求不一致造成的“鴨嘴曲線”現(xiàn)象；文獻［117］在高層住宅綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃中集成了制氫、儲氫設備和氫動力汽車消納部分風光出力,同時,回收電解水過程產生的廢熱供給建筑熱負荷,提升能效、降低碳排放水平；文獻［118］考慮了部分家用電器負荷可調對小型風光與電儲能規(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”促進減排,實現(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。建筑設計中的被動式節(jié)能方法,主要指通過因地制宜合理設計建筑平面布局、朝向、間距、窗墻比、自然通風采光系統(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［119］為零能耗建筑提出了一種多層規(guī)劃方法對建筑圍護結構和建筑綜合能源系統(tǒng)分別進行設計,但是該方法易使規(guī)劃結果陷入“建筑圍護結構局部最優(yōu)”和“建筑綜合能源系統(tǒng)局部最優(yōu)”；文獻［120］在文獻［119］的基礎上,通過啟發(fā)式方法進一步考慮了建筑圍護結構和綜合能源系統(tǒng)間相互作用的影響:如光伏面積大則建筑朝向設計中更多考慮增加光照促進光伏發(fā)電,光伏面積小則建筑朝向設計中更多考慮減小光照降低制冷負荷需求等,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:如中國建筑科學研究院近零能耗示范樓和青島中德生態(tài)園被動房技術中心,一方面通過設計建筑圍護結構、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；天津北辰商務中心則進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”等典型設計已經作為成功經驗向外推廣。

6 挑戰(zhàn)與展望

本文在對能源轉型目標及路徑優(yōu)化分析的基礎上,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,梳理并評述了不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃關鍵技術的研究現(xiàn)狀。對比分析不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)的特點、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)大多僅參與能源運輸,區(qū)域級交通網(wǎng)中電氣化交通網(wǎng)除參與能源運輸外,還具有作為綜合需求響應資源的潛力。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,各能源設備建模往往較細,更需在規(guī)劃時考慮供能設備的可運行區(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

在總結能源轉型目標與優(yōu)化路徑、提煉低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃關鍵技術、梳理各層級規(guī)劃要素的基礎上,筆者認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

隨著降碳進程的推進,跨區(qū)級低碳綜合能源系統(tǒng)必將集成大規(guī)模碳捕集設備和高比例清潔能源。在此背景下,如何挖掘碳捕集設備在主動捕集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)劃相關研究文獻中,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對規(guī)劃模型的影響。如何通過對碳捕集技術的精細化建模提高系統(tǒng)的調峰深度、進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)劃方法將碳捕集設備精細化運行模型內嵌入跨區(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合也是未來的發(fā)展方向之一。在對規(guī)劃模型進行建模時,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)劃在源側應充分考慮多能轉換設備與大規(guī)模風光場站協(xié)同規(guī)劃,通過將多余的清潔電力轉換為氫能、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,促進可再生能源消納。在網(wǎng)側,主要可通過在規(guī)劃時考慮輸電線重構、輸氣管道管存特性,交通網(wǎng)絡運輸液化氣與燃氣管道協(xié)同規(guī)劃等方式間接促進清潔電力消納。在儲側,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速度通常較慢,在實際規(guī)劃中,還需對長短期儲能協(xié)同規(guī)劃進行進一步探索。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,從而促進可再生能源消納、提高能源利用率、實現(xiàn)減排降碳,仍有待進一步探索。

在未來區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃中,源側可計及不同種類分布式清潔能源運行特性的互補效應,實現(xiàn)考慮多源互補、多園區(qū)互補的區(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)絡不同,區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)的網(wǎng)側包含了配電網(wǎng)、配氣網(wǎng)、冷熱管網(wǎng)等多種能源網(wǎng)絡；在規(guī)劃時,一方面要充分利用配電網(wǎng)重構、氣網(wǎng)和冷熱管網(wǎng)的管存特性挖掘網(wǎng)側的靈活性資源,另一方面也應在規(guī)劃時考慮市政公共電動交通網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)負載空間調度、區(qū)域冷鏈物流網(wǎng)絡等多能負荷空間轉移調度對供能網(wǎng)絡規(guī)劃的影響。荷側方面,通過對區(qū)域級低碳綜合能源系統(tǒng)中可中斷、可平移、可調節(jié)、可轉換多能負荷進行系統(tǒng)分類和精細化建模,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)互動的基礎上,合理設計綜合需求響應機制,充分發(fā)揮負荷側的調節(jié)作用。儲側方面,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,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),在未來進行相關研究時,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雜多變,“源荷”預測難度較大,在未來可考慮發(fā)展針對不同時間尺度的不同預測方法、模型和數(shù)據(jù)混合驅動的預測方法,考慮多能耦合的預測方法等,通過提高“源荷”預測的準確性實現(xiàn)用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)的精準規(guī)劃,從而促進清潔能源消納,降低系統(tǒng)碳排放。

此外,深度結合建筑被動節(jié)能方法是未來用戶級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的關鍵點之一?，F(xiàn)有關于建筑被動節(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)在設置的耦合變量較少、作用機制缺少系統(tǒng)性梳理等。在后續(xù)研究中,可充分考慮光伏/光熱建筑一體化設施等新型低碳建筑材料特性,通過“節(jié)能”進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,但是在能源系統(tǒng)低碳化轉型進程中,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。如何科學有效地進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、多能負荷功率、用能價格等不確定性因素眾多的問題,應考慮利用靈敏度分析等方法,篩選關鍵不確定性因素從而降低系統(tǒng)復雜度,在此基礎上建立基于多場景的隨機規(guī)劃模型、基于數(shù)據(jù)驅動的魯棒規(guī)劃模型等。此外,由于不同層級低碳綜合能源系統(tǒng)的特點不同,跨層級低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃可能涉及經濟性、環(huán)保性、可靠性等較為多元的優(yōu)化目標,需建立多目標規(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；另一方面可應用二階錐松弛、增量線性化、McCormick 松弛等方法將模型轉凸,進而利用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

隨著減排降碳進程的推進,作為促進低碳發(fā)展市場化手段的碳交易市場將不斷擴大規(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。在計及碳市場碳交易的前提下,低碳綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型中的目標函數(shù)、經濟性指標的計算均需做出相應調整:在長時間尺度上,碳價長期上漲的大趨勢將倒逼能源供給、消費結構不斷優(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不同碳排放水平供能主體的供能量和荷側用電量產生影響,進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、經濟性等進行分析權衡。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能源系統(tǒng)降碳,從而實現(xiàn)經濟性與環(huán)保性的兼顧。

7 結語

雙碳目標下,能源系統(tǒng)亟待低碳轉型。本文嘗試提煉了低碳綜合能源系統(tǒng)的內涵,在對能源轉型目標及路徑優(yōu)化分析相關研究進行梳理后,分層級歸納了低碳綜合能源系統(tǒng)的典型特點,總結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)劃關鍵技術研究現(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)進行了展望,以期為該領域的進一步研究提供參考。