別朝紅，任彥哲，李更豐，閆澤輝，王 昀，孫思源

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西省西安市 710049）

0 引言

21 世紀(jì)以來,環(huán)境污染、氣候變化、能源短缺已經(jīng)成為威脅人類社會發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。為解決由此引發(fā)的溫室效應(yīng)和極端自然災(zāi)害頻發(fā)等問題,推動構(gòu)建人類命運(yùn)共同體,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,2020 年9 月22 日,中國在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上向世界莊嚴(yán)承諾,將采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值,努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和［1］。

作為世界上最大的碳排放國,2020 年中國的二氧化碳排放量達(dá)到98.99 億t［2］,其中,能源活動的排放量占比約為87%［3］。因此,能源行業(yè)是中國碳排放的主要來源,同時(shí),也已經(jīng)成為綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的中心環(huán)節(jié)和碳減排的核心。面對經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展過程中能源需求持續(xù)增長與能源短缺之間的矛盾、能源利用與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾,綜合能源系統(tǒng)通過對電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)等各類型能源系統(tǒng)進(jìn)行整體協(xié)調(diào)、配合和優(yōu)化,成為實(shí)現(xiàn)能源低碳可持續(xù)發(fā)展、安全可靠供給經(jīng)濟(jì)高效利用的必然選擇［4-5］。而城市作為人類經(jīng)濟(jì)社會活動的中心,以中國五分之三的人口、五分之四的GDP 消耗了四分之三的能源,產(chǎn)生了三分之二的碳排放［6-7］。因此,城市能源系統(tǒng)（urban energy system,UES）將在能源綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用。

UES 是指在城市能源生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)等環(huán)節(jié)中,實(shí)現(xiàn)電、氣、熱、冷和氫能等多種能源互濟(jì)互補(bǔ)和高效利用的物理耦合網(wǎng)絡(luò)。通過對UES 中各類型能源系統(tǒng)進(jìn)行整體協(xié)調(diào)、配合和優(yōu)化,不僅可以滿足低碳性和環(huán)保性的要求,提高能源供給的安全性和可靠性,還能實(shí)現(xiàn)能源利用的高效性和UES 規(guī)劃運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。不少國內(nèi)外學(xué)者也從這幾方面展開了研究與展望。在低碳性方面,文獻(xiàn)［8］從碳排放分析、規(guī)劃運(yùn)行和市場機(jī)制設(shè)計(jì)這3 個(gè)層面對低碳UES 的研究進(jìn)行展望；文獻(xiàn)［9］總結(jié)了碳捕集和可再生能源消納兩個(gè)低碳能源系統(tǒng)關(guān)鍵要素的建模方法,并詳細(xì)闡述了考慮多類型分布式清潔能源和考慮多類型靈活性資源的低碳UES 規(guī)劃的研究現(xiàn)狀。在安全性方面,文獻(xiàn)［10］從一次系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)安全兩個(gè)層面歸納了彈性電力系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù),并展望了彈性能源系統(tǒng)的發(fā)展。在高效性和經(jīng)濟(jì)性方面,文獻(xiàn)［11］展望了電轉(zhuǎn)氣（power to gas,P2G）技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用,通過減少電力線路擴(kuò)容的需求來降低UES 建設(shè)成本；文獻(xiàn)［12］通過能量的梯級利用實(shí)現(xiàn)了城市能源利用效率的提升；文獻(xiàn)［13］基于地理信息系統(tǒng)優(yōu)化城市分布式儲能的部署,從而提高儲能的利用效率,降低了儲能系統(tǒng)的運(yùn)行成本。同時(shí),UES 分析工具的研究和應(yīng)用也在進(jìn)行中。文獻(xiàn)［14］對UES 的規(guī)劃設(shè)計(jì)和能耗分析工具進(jìn)行綜述。具體來說,丹麥的奧爾堡自治市［15］和弗雷德里克港［16］使用EnergyPLAN 驗(yàn)證了100%可再生能源系統(tǒng)的可行性。文獻(xiàn)［17］和文獻(xiàn)［18］分別使用LEAP 和TIMES 軟件對不同情景下中國上海市和北京市的能源消費(fèi)和碳排放趨勢進(jìn)行分析。

在“雙碳”目標(biāo)下,隨著建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)［19-20］等愿景的提出,可再生能源、電力電子設(shè)備越來越多地出現(xiàn)在UES 中,這也帶來了更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。為此,本文首先從功能結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)兩個(gè)角度分析UES 多能耦合、層級分布的形態(tài)結(jié)構(gòu),并闡明其典型特征；然后,從協(xié)同規(guī)劃和優(yōu)化運(yùn)行兩個(gè)方面對UES 的關(guān)鍵問題展開討論；最后,從一次能源供給環(huán)節(jié)、二次能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、終端能源消費(fèi)環(huán)節(jié)和碳移除環(huán)節(jié)等4 個(gè)環(huán)節(jié)展望UES 的發(fā)展路徑。

1 UES 的形態(tài)結(jié)構(gòu)

“雙碳”目標(biāo)下,UES 在功能結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)上正在發(fā)生深刻變化,也展現(xiàn)出了許多典型特征。

1.1 多能耦合的功能結(jié)構(gòu)

UES 是電、氣、熱、氫能等多種能源的復(fù)雜耦合系統(tǒng),由數(shù)量眾多、種類豐富的元件組成。從元件功能出發(fā),按照能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)（源）、能源傳輸環(huán)節(jié)（網(wǎng)）、能源消費(fèi)環(huán)節(jié)（荷）進(jìn)行劃分［21-22］,各環(huán)節(jié)包含的元件如圖1 所示。

圖1 UES 各環(huán)節(jié)元件組成Fig.1 Components of different links in UES

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出,為進(jìn)一步推動能源低碳可持續(xù)發(fā)展、安全可靠供給、經(jīng)濟(jì)高效利用,UES在生產(chǎn)環(huán)節(jié)、傳輸環(huán)節(jié)和消費(fèi)環(huán)節(jié)都出現(xiàn)了新的變化,如表1 所示。

表1 UES 功能結(jié)構(gòu)Table 1 Functional structure of UES

在能源生產(chǎn)環(huán)節(jié),以傳統(tǒng)電力、天然氣大規(guī)模遠(yuǎn)距離傳輸為代表的能源集中供給方式一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。2021 年美國得克薩斯州大停電［23］等事故的發(fā)生表明這種方式存在著巨大隱患,分布式能源的大規(guī)模接入成為較為現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)的一種改變。分布式能源是指在用戶地點(diǎn)或附近的發(fā)電功能系統(tǒng)［24］,包括分布式可再生能源（如分布式風(fēng)電［25］、分布 式 光 伏［26-27］）、電 動 汽 車［28-29］、冷 熱 電 聯(lián) 供（combined cooling,heating and power,CCHP）［30］機(jī)組、分布式儲能［31］等多種形式的應(yīng)用。它們的大規(guī)模接入既可以減少能源遠(yuǎn)距離傳輸過程中的損耗,從而提高能源利用效率,又可以在電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電時(shí)保持運(yùn)行或快速恢復(fù),提高UES 面對極端事件的彈性。同時(shí),分布式風(fēng)電和光伏的應(yīng)用一方面可以減少化石能源的使用,促進(jìn)UES 綠色低碳發(fā)展,另一方面也造成了可再生能源消納困難的局面,導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)。更重要的是,分布式風(fēng)電和光伏出力的波動性和間歇性、電動汽車充放電的隨機(jī)性給系統(tǒng)帶來了強(qiáng)不確定性,對UES 安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)［32］。隨著分布式能源的大規(guī)模接入,UES 的生產(chǎn)環(huán)節(jié)也朝著集中式和分布式并存的能源供給方式發(fā)展。

在能源傳輸環(huán)節(jié),一方面,隨著各類型能源系統(tǒng)的擴(kuò)張和能源傳輸距離的增加,系統(tǒng)控制難度不斷加大；另一方面,可再生能源并網(wǎng)需求不斷增長。因此,電力電子設(shè)備將會在UES 中廣泛應(yīng)用。其中,柔性交流輸電技術(shù)［33］能靈活地調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式,提高輸電系統(tǒng)的輸電能力；高壓直流輸電技術(shù)［34］可以快速地控制線路傳輸功率,有效地減輕了穩(wěn)定性問題。當(dāng)然,電力電子設(shè)備的優(yōu)勢不止體現(xiàn)在能源傳輸過程中。在能源生產(chǎn)環(huán)節(jié),電力電子換流器［35］可以支持各種分布式可再生能源并網(wǎng)并提高能源生產(chǎn)效率；在能源消費(fèi)環(huán)節(jié),各種傳感器的使用可以滿足用戶多樣化、個(gè)性化的需求并保證能源質(zhì)量［36］。但同時(shí),高度電力電子化使UES 慣性降低,其穩(wěn)定機(jī)理更加復(fù)雜［37］。而且,電力電子設(shè)備的應(yīng)用對UES 的保護(hù)提出了更高的要求,亟須探索新型繼電保護(hù)原理等理論［38］。

在能源消費(fèi)環(huán)節(jié),可控負(fù)荷［39-40］的推廣使用改變了傳統(tǒng)負(fù)荷固定的、單向的、被動接受控制的歷史,成為了減少UES 不確定性的有效手段?？煽刎?fù)荷包括雙向互動性負(fù)荷（如微能源網(wǎng)［41］、虛擬電廠［42］等）和單向可控負(fù)荷（如價(jià)格響應(yīng)［43］等）。實(shí)踐中,可控負(fù)荷的應(yīng)用不但可以平抑可再生能源的不確定性,保證UES 的穩(wěn)定運(yùn)行,還可以通過雙向互動,有效提高UES 的可靠性。目前,可控負(fù)荷常常以犧牲用戶的用能舒適度為代價(jià),所以用戶的體驗(yàn)感有待加強(qiáng)［40］。

在能源生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)環(huán)節(jié)發(fā)生深刻變化的過程中,分布式能源和可控負(fù)荷的大規(guī)模使用,進(jìn)一步促進(jìn)了能源生產(chǎn)和消費(fèi)環(huán)節(jié)的多能互補(bǔ),也推動了源荷界限模糊化；電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用,進(jìn)一步促進(jìn)了能源傳輸環(huán)節(jié)的多網(wǎng)耦合,也為網(wǎng)絡(luò)潮流雙向化流通提供了物理基礎(chǔ)。最終,UES 形成了源荷界限模糊、網(wǎng)絡(luò)潮流雙向化的多能耦合的功能結(jié)構(gòu)。

1.2 層級分布的空間結(jié)構(gòu)

綜合能源系統(tǒng)按照規(guī)模和地理范圍從大到小可以劃分為區(qū)域能源系統(tǒng)、UES 和終端能源系統(tǒng)［44］,如表2 所示。盡管研究對象和構(gòu)成存在差異,但它們之間的關(guān)系不是獨(dú)立和割裂的,而是緊密聯(lián)系的,如圖2 所示。

表2 綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)Table 2 Architecture of integrated energy system

對于區(qū)域能源系統(tǒng),即為圖2 中綠色層,區(qū)域能源傳輸網(wǎng)絡(luò)將能源從生產(chǎn)中心傳輸?shù)较M(fèi)中心。其中,能源生產(chǎn)中心由許多能源輸出城市、天然氣氣井和發(fā)電廠等組成；能源消費(fèi)中心由許多能源輸入城市組成,每一個(gè)能源輸入和輸出城市均為UES。

對于UES,即為圖2 中藍(lán)色層,城市能源輸配網(wǎng)絡(luò)將能源從生產(chǎn)園區(qū)傳輸?shù)较M(fèi)園區(qū)。以能源輸入城市為例,能源生產(chǎn)園區(qū)由礦井、港口等能源生產(chǎn)終端、電力及天然氣輸入和分布式能源組成；能源消費(fèi)園區(qū)由工廠、樓宇等能源消費(fèi)終端組成,每一個(gè)能源生產(chǎn)和消費(fèi)終端均為終端能源系統(tǒng)。

圖2 UES 層級分布的空間結(jié)構(gòu)Fig.2 Hierarchical spatial structure of UES

對于終端能源系統(tǒng),即為圖2 中紫色層,能源傳輸微網(wǎng)將能源傳輸?shù)截?fù)荷。以能源消費(fèi)終端為例,如1.1 節(jié)所說,這是一個(gè)源荷界限模糊、網(wǎng)絡(luò)潮流雙向化的多能耦合的物理系統(tǒng)。

綜上,UES 由多個(gè)終端能源系統(tǒng)組成,多個(gè)UES 又組成了區(qū)域能源系統(tǒng)。能源從礦井、港口等終端能源系統(tǒng)生產(chǎn)后,經(jīng)過能源輸出城市匯集由區(qū)域能源傳輸網(wǎng)絡(luò)集中運(yùn)送到能源輸入城市,最終分配到工廠、樓宇等終端能源系統(tǒng)消費(fèi)。因此,UES是綜合能源系統(tǒng)中承上啟下的關(guān)鍵一環(huán)。相比于終端,它更加綜合；相比于區(qū)域,它更加集約,最終形成了層級分布的空間結(jié)構(gòu)。

1.3 典型特征

UES 在發(fā)展過程中,展現(xiàn)出開放互聯(lián)互惠、能源交通一體化發(fā)展和信息物理高度融合等典型特征。

1.3.1 開放互聯(lián)互惠

過去幾十年中,以電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)為代表的能源系統(tǒng)由于自然壟斷的特性發(fā)展得相對緩慢和保守,各類型能源系統(tǒng)間的聯(lián)系也十分薄弱。隨著UES 在生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)環(huán)節(jié)發(fā)生深刻變化,各類型能源系統(tǒng)內(nèi)部、各類型能源系統(tǒng)之間逐漸打破固有壁壘,走向開放互聯(lián)互惠,主要表現(xiàn)在以下幾方面:

1）打破空間壁壘,實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)和商品交易。各類型能源系統(tǒng)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將能源生產(chǎn)和消費(fèi)連接起來,實(shí)現(xiàn)了各類型能源的遠(yuǎn)距離供應(yīng)及它們作為商品的自由交易。

2）打破行業(yè)壁壘,實(shí)現(xiàn)設(shè)備平等接入。隨著電力電子設(shè)備的發(fā)展,UES 在生產(chǎn)環(huán)節(jié)將不僅能保證傳統(tǒng)的集中式能源自由接入,而且將實(shí)現(xiàn)光伏和風(fēng)電等分布式能源的平等接入,即插即用；在消費(fèi)環(huán)節(jié)也不僅能保證傳統(tǒng)的被動負(fù)荷的自由接入,同時(shí),還將實(shí)現(xiàn)微能源網(wǎng)等源荷界限模糊的可控負(fù)荷平等接入,即插即用。

3）打破能源壁壘,實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)。過去,各類型能源系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)差別巨大,在擴(kuò)大規(guī)模、提高可靠性的同時(shí),壟斷也得到了進(jìn)一步的加強(qiáng),與其他能源系統(tǒng)的關(guān)系相對獨(dú)立。但城市低碳環(huán)保性的要求和多樣化的能源需求推動著這一局面的改變,現(xiàn)在和未來的UES 將讓異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián)逐步加強(qiáng),推動能源的安全可靠供給和高效利用。

隨著空間、行業(yè)和能源壁壘的打破,UES 真正實(shí)現(xiàn)了能源生產(chǎn)和消費(fèi)的開放、能源傳輸網(wǎng)絡(luò)的開放、各類型能源系統(tǒng)的開放。開放促進(jìn)了互聯(lián),互聯(lián)創(chuàng)造了價(jià)值［45］,最終實(shí)現(xiàn)了互惠。

1.3.2 能源交通一體化發(fā)展

在城市中,因?yàn)槿加推嚨拇嬖?交通系統(tǒng)和UES 一直存在緊密的聯(lián)系［46］。隨著能源系統(tǒng)間耦合的不斷加深,城市交通系統(tǒng)與UES 之間的交互也進(jìn)一步增多。一方面,電動汽車、電氣化軌道交通［47-48］等的出現(xiàn)進(jìn)一步豐富了UES 的消費(fèi)環(huán)節(jié)；另一方面,城市物流系統(tǒng)［49］的發(fā)展也為液化天然氣等能源的運(yùn)輸提供了便捷高效的服務(wù)。因此,交通系統(tǒng)既是能源的消費(fèi)者也是能源的運(yùn)輸者,能源交通一體化發(fā)展成為了大勢所趨。

城市能源交通一體化發(fā)展將不僅有助于合理規(guī)劃電動汽車充電站、天然氣汽車加氣站的擴(kuò)建,緩解充電、加氣擁堵的問題,真正提高交通系統(tǒng)運(yùn)行效率,還可以在“小概率-高風(fēng)險(xiǎn)”極端事件造成UES大規(guī)模故障時(shí),利用城市物流系統(tǒng)幫助其實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù),有效增強(qiáng)UES 的彈性。

1.3.3 信息物理高度融合

UES 的發(fā)展離不開信息技術(shù)的支持。信息技術(shù)作為先進(jìn)理念和先進(jìn)生產(chǎn)力的代表［50］,已經(jīng)深入到能源系統(tǒng)之中,深刻影響著UES 的結(jié)構(gòu)和效率。

一方面,信息系統(tǒng)開放互聯(lián)的理念促進(jìn)UES 逐漸打破空間、行業(yè)、能源等壁壘,推動源荷的平等接入和異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián),實(shí)現(xiàn)UES 的開放互聯(lián)互惠。

另一方面,信息技術(shù)也對UES 的二次環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大影響。通過能源系統(tǒng)測量、保護(hù)、監(jiān)視和控制環(huán)節(jié)中信息的實(shí)時(shí)傳輸,信息系統(tǒng)在分析和決策后,再對能源系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控和管理。這不僅可以縱向協(xié)調(diào)能源生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)等環(huán)節(jié),也能保證各類型能源系統(tǒng)橫向互補(bǔ)。

因此,信息系統(tǒng)對UES 的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了深刻影響,并提高了整個(gè)UES 的運(yùn)行效率。在未來,信息技術(shù)和能源技術(shù)進(jìn)一步融合發(fā)展,信息系統(tǒng)和物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步融合建設(shè),從而促進(jìn)城市能源互聯(lián)網(wǎng)［51-52］的進(jìn)步,為建設(shè)智慧城市［53］做出能源行業(yè)的貢獻(xiàn)。

2 UES 的關(guān)鍵問題

目前,多能耦合、層級分布的UES 的建設(shè)尚處于起步階段,在發(fā)展中也面臨著規(guī)劃、運(yùn)行、交易、保護(hù)和控制等一系列關(guān)鍵問題,其中規(guī)劃和運(yùn)行是基礎(chǔ)。如圖3 所示,本文將詳細(xì)闡述UES 協(xié)同規(guī)劃和優(yōu)化運(yùn)行兩方面的關(guān)鍵問題。其中,協(xié)同規(guī)劃為優(yōu)化運(yùn)行的研究提供了場景支撐、模型和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；優(yōu)化運(yùn)行檢驗(yàn)規(guī)劃方案并使其進(jìn)一步優(yōu)化。

圖3 UES 關(guān)鍵問題研究框架Fig.3 Research framework on key issues of UES

2.1 UES 協(xié)同規(guī)劃

人口和經(jīng)濟(jì)的增長促進(jìn)了城市的快速發(fā)展。一方面,導(dǎo)致能源需求的迅速增長。另一方面,也推動了城市的對外擴(kuò)張。因此,原有的UES 已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在和未來的需要,亟須進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

多能耦合的功能結(jié)構(gòu)決定了未來的UES 將不再是電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱網(wǎng)等各自進(jìn)行單獨(dú)規(guī)劃和設(shè)計(jì)。多能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)同規(guī)劃因更高效合理成為了UES 的必由之路。盡管面向不同對象的規(guī)劃模型有所差異,但仍然可以求同存異,提煉出基礎(chǔ)模型,如式（1）至式（3）所示。

式中:xi,j,t為t時(shí)段第i種能源系統(tǒng)中設(shè)備j是否建設(shè)的0-1 變量；yi,j,t為t時(shí)段第i種能源系統(tǒng)中設(shè)備j的容量；I、J和T分別為能源系統(tǒng)種類總數(shù)、規(guī)劃設(shè)備總數(shù)和規(guī)劃總年限；E為運(yùn)行約束限制；f(?)為UES協(xié)同規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù),可以是單目標(biāo)也可以是多目標(biāo),一般包括經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、可靠性最高等；g(?)為設(shè)備的建設(shè)施工約束函數(shù),包括投資約束、容量約束等；h(?)為系統(tǒng)的運(yùn)行約束函數(shù),包括多能流約束、設(shè)備功率上下限約束等。0-1 變量xi,j,t和連續(xù)變量yi,j,t共同組成了該問題的決策變量。

具體而言,不同的應(yīng)用場景下規(guī)劃模型的研究重點(diǎn)也不甚相同。電網(wǎng)-氣網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃方面,電網(wǎng)-氣網(wǎng)耦合作為研究較為普遍的耦合方式,現(xiàn)階段探索主要集中于考慮不確定性的規(guī)劃模型。文獻(xiàn)［54］在考慮風(fēng)電不確定性的基礎(chǔ)上,提出了電網(wǎng)-氣網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃的多目標(biāo)優(yōu)化模型,在保證可靠性的前提下降低了投資成本。文獻(xiàn)［55］建立了考慮凈負(fù)荷需求不確定性的電網(wǎng)-氣網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃的多階段隨機(jī)優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)了不確定性逐步顯現(xiàn)的情況下的連續(xù)投資決策。文獻(xiàn)［56］為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)、氣網(wǎng)和能源樞紐的獨(dú)立決策性,將這些利益相關(guān)者進(jìn)行區(qū)分,提出了一種考慮光伏不確定性的分布式規(guī)劃框架,有助于提高規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性。電網(wǎng)-熱網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃方面,文獻(xiàn)［57］和文獻(xiàn)［58］分別研究了熱泵系統(tǒng)和冷熱電聯(lián)供的建設(shè)容量和建設(shè)時(shí)間。現(xiàn)有研究因式（3）中供熱網(wǎng)的運(yùn)行約束較為復(fù)雜,更多地集中于耦合設(shè)備的規(guī)劃,未來需要在配電網(wǎng)-供熱網(wǎng)聯(lián)合規(guī)劃等場景中進(jìn)行更為深入的研究。電網(wǎng)-氣網(wǎng)-熱網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃方面,文獻(xiàn)［59］利用配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目芍貥?gòu)特性,提出了配電網(wǎng)-配氣網(wǎng)-供熱網(wǎng)的擴(kuò)展規(guī)劃模型,但其中網(wǎng)絡(luò)模型較為簡單。而在詳細(xì)考慮網(wǎng)絡(luò)模型后會因其耦合復(fù)雜性造成規(guī)劃模型變量多、求解困難,所以未來的研究重點(diǎn)主要集中于建模方法和求解算法方面。

“雙碳”目標(biāo)下,UES 的規(guī)劃重點(diǎn)也不再只是經(jīng)濟(jì)性、可靠性,彈性、低碳等方面的要求也在逐漸增強(qiáng)。文獻(xiàn)［60］在原有基礎(chǔ)模型的基礎(chǔ)上,提出了一種考慮彈性約束的電網(wǎng)-氣網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃的魯棒優(yōu)化模型,提高了UES 的恢復(fù)力。文獻(xiàn)［61］基于全生命周期法,將年二氧化碳排放量最低加入式（1）的目標(biāo)函數(shù)中,與全生命周期成本最低共同作為優(yōu)化目標(biāo),對微能源網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃。

總的來說,UES 協(xié)同規(guī)劃會隨著研究對象的復(fù)雜、規(guī)劃要求的增多產(chǎn)生規(guī)劃變量多、模型規(guī)模大和求解復(fù)雜等難題,所以需要在復(fù)雜耦合網(wǎng)絡(luò)的精確建模和高效求解算法方面開展更為深入的研究。

2.2 UES 優(yōu)化運(yùn)行

節(jié)能減排是推動“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要途徑,這就對能源的高效利用提出了更高的要求。UES 的優(yōu)化運(yùn)行不僅能降低能源傳輸損耗,還能減少不必要的能源轉(zhuǎn)換損耗。這正是提高能源利用效率的關(guān)鍵方法,但也面臨許多的挑戰(zhàn),主要包括高比例可再生能源接入和高度電力電子化兩方面。

隨著分布式能源的大規(guī)模接入,UES 中可再生能源占比顯著提升。一方面,可再生能源的消納正面臨嚴(yán)峻局面,現(xiàn)有的解決方法大致分為建設(shè)儲能系統(tǒng)、發(fā)展需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)兩類。建設(shè)儲能系統(tǒng)角度,文獻(xiàn)［62］建立了含壓縮空氣儲能的電力系統(tǒng)日前-日內(nèi)調(diào)度模型,通過壓縮空氣儲能電站消納風(fēng)電；文獻(xiàn)［63］使用PLEXOS 軟件對比了不同場景下抽水蓄能、壓縮空氣儲能等大規(guī)模儲能系統(tǒng)對減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象的作用,說明它們對消納可再生能源的有效性。發(fā)展需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)角度,文獻(xiàn)［64］和文獻(xiàn)［65］研究溫控負(fù)荷在分鐘、小時(shí)等不同時(shí)間尺度上的控制方法來適應(yīng)風(fēng)電出力的變化,從而促進(jìn)風(fēng)電消納；文獻(xiàn)［66］將電力需求響應(yīng)進(jìn)一步拓展為綜合需求響應(yīng),建立了面向電力系統(tǒng)-天然氣系統(tǒng)的需求側(cè)響應(yīng)程序,有效提高了UES 消納可再生能源的能力。另一方面,可再生能源出力的波動性和間歇性給UES 帶來了強(qiáng)不確定性,可能會造成能源生產(chǎn)與消費(fèi)的不平衡,增加系統(tǒng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)［37］提出了含高比例可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的研究理論框架,突出了不確定性建模在其中的重要作用:它是求解優(yōu)化問題的前提和關(guān)鍵。文獻(xiàn)［67］和文獻(xiàn)［68］對不確定性建模和優(yōu)化調(diào)度的求解方法進(jìn)行系統(tǒng)梳理:隨機(jī)優(yōu)化和魯棒優(yōu)化是最常用的兩種方法。在隨機(jī)優(yōu)化中,需要設(shè)定隨機(jī)變量的概率分布,但其難以準(zhǔn)確刻畫實(shí)際情況下不確定性因素的復(fù)雜變化情況［69］。魯棒優(yōu)化由于考慮最差場景下的最優(yōu)解,可能會導(dǎo)致局部最優(yōu),使調(diào)度結(jié)果較為保守［70］。因此,融合這兩種方法優(yōu)勢的分布魯棒優(yōu)化成為了未來研究的重要方向。其中,在目前考慮連續(xù)隨機(jī)變量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索離散隨機(jī)變量的建模和UES 中各類型不確定性因素耦合機(jī)理是研究的兩大難點(diǎn)。

信息技術(shù)和能源技術(shù)的高度融合導(dǎo)致UES 中出現(xiàn)了大量的電力電子設(shè)備,這也造成了其穩(wěn)定機(jī)理的復(fù)雜化。因此,亟須研究高度電力電子化UES的穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)［71-73］展示了電力電子化UES分析的不同角度:文獻(xiàn)［71］從器件級、變換器級、系統(tǒng)級這3 個(gè)層級對電力電子系統(tǒng)建模方法進(jìn)行對比；文獻(xiàn)［72］從不同時(shí)間尺度對電力電子化電力系統(tǒng)建模方法和求解算法進(jìn)行了相關(guān)性闡述；文獻(xiàn)［73］從穩(wěn)定分析與控制問題、故障分析與保護(hù)問題兩方面探討了電力電子化電力系統(tǒng)面臨的新挑戰(zhàn)。UES 因其異構(gòu)系統(tǒng)多、規(guī)模大導(dǎo)致其電力電子設(shè)備復(fù)雜多樣,且現(xiàn)有研究表明不同層級、不同時(shí)間尺度和不同問題下缺乏通用的電力電子化UES 分析方法和模型算法,關(guān)于高度電力電子化UES 的穩(wěn)定運(yùn)行問題的研究任重而道遠(yuǎn)。

綜上,UES 的協(xié)調(diào)規(guī)劃和優(yōu)化運(yùn)行中,很多難題的解決需要其他學(xué)科和領(lǐng)域中新的方法、新的理論和新的技術(shù)。在新方法方面,包括優(yōu)化方法、評估決策方法、預(yù)測方法和分類聚類方法等數(shù)學(xué)方法；在新理論方面,包括穩(wěn)定性理論等自動控制理論和市場風(fēng)險(xiǎn)等經(jīng)濟(jì)學(xué)理論；在新技術(shù)方面,包括能源存儲技術(shù),能源轉(zhuǎn)換技術(shù)和區(qū)塊鏈［74］、第五代移動通信（5G）、人工智能等信息技術(shù)。如圖3 所示,協(xié)同規(guī)劃和優(yōu)化運(yùn)行推動方法、理論和技術(shù)的創(chuàng)新,新方法、新理論和新技術(shù)又可以解決規(guī)劃和運(yùn)行中存在的難題,不同學(xué)科在這一過程中相互促進(jìn)、共同發(fā)展。

3 UES 的發(fā)展路徑

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),需要構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系,但中國的基本國情和龐大的能源系統(tǒng)決定了這將是一個(gè)漫長的過程。如圖4 所示,中國的能源種類多樣,包含煤、石油、天然氣、太陽能、風(fēng)能、水能及核能等一次能源和電能、熱能及氫能等二次能源；各類型能源之間聯(lián)系緊密,包括一次能源供給、二次能源轉(zhuǎn)換和終端能源消費(fèi)3 個(gè)環(huán)節(jié)。UES 作為綜合能源系統(tǒng)中承上啟下的關(guān)鍵一環(huán),需要在這些環(huán)節(jié)共同努力來推動“雙碳”目標(biāo)的完成。圖4 中,數(shù)值的單位為億噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量。

圖4 2020 年中國能流圖Fig.4 Diagram of China’s energy flow in 2020

3.1 在一次能源供給環(huán)節(jié)，推動可再生能源替代化石能源，從源頭低碳化、清潔化

由圖4 可知,中國的能源系統(tǒng)呈現(xiàn)“總量大、不清潔”的特點(diǎn)。推動中國的一次能源供給結(jié)構(gòu)從以煤炭為代表的化石能源為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐燥L(fēng)光為代表的可再生能源為主,從源頭減少碳排放,成為了一次能源供給環(huán)節(jié)的重要目標(biāo)和任務(wù)。

而穩(wěn)步推進(jìn)中的電力現(xiàn)貨市場為可再生能源替代化石能源提供了驅(qū)動力和平臺。因?yàn)殡娏ΜF(xiàn)貨市場是一個(gè)以邊際成本為競爭基礎(chǔ)的市場,所以邊際成本極低的可再生能源天然具備著極強(qiáng)的競爭力。但可再生能源的波動性和間歇性使其無法在市場中準(zhǔn)確申報(bào)電量信息,因此,需要完善的電力現(xiàn)貨市場機(jī)制在保證公平的前提下來保障可再生能源的消納。文獻(xiàn)［75］提出了一種可再生能源價(jià)值分層評估模型,有助于可再生能源補(bǔ)貼電價(jià)的制定。文獻(xiàn)［76］和文獻(xiàn)［77］探索了一種隨機(jī)結(jié)算市場,將傳統(tǒng)電力現(xiàn)貨市場中日前市場和實(shí)時(shí)市場同時(shí)出清并結(jié)算,避免了日前市場出清過程中對可再生能源貢獻(xiàn)的忽視。文獻(xiàn)［78］發(fā)掘可再生能源因出力變動產(chǎn)生的成本較低的優(yōu)勢,提出了一種考慮開停機(jī)成本、爬坡成本的兩部復(fù)合競價(jià)機(jī)制,促進(jìn)電網(wǎng)對可再生能源的消納。同時(shí),為在更大范圍內(nèi)優(yōu)化配置資源,促進(jìn)可再生能源消納,UES 中多能源現(xiàn)貨市場的建設(shè)也得到廣泛關(guān)注。但因?yàn)椴煌愋湍茉丛趥鬏斔俣群痛鎯δ芰ι系牟町?需要進(jìn)一步探索多時(shí)間尺度的多能源現(xiàn)貨市場的運(yùn)行機(jī)制,包括定價(jià)機(jī)制、競爭機(jī)制和結(jié)算機(jī)制等。

3.2 在二次能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，推行綠電、綠氫生產(chǎn)消費(fèi)，使終端電氣化、氫能化

綠電［79］、綠氫［80］的生產(chǎn)與消費(fèi)可以有效減少化石能源的直接使用,從而降低碳排放水平。如圖4所示,目前,中國的電氣化水平較低,終端消費(fèi)電氣化率僅為26.96%,氫能更是處在起步的階段,所以UES 應(yīng)該加快推進(jìn)終端電氣化、氫能化進(jìn)程。

氫能作為一種清潔、高效的能源與載體,對于難以通過電氣化實(shí)現(xiàn)脫碳的行業(yè),可以成為一種新的選擇,但同樣需要克服諸多難題。在制氫方面,現(xiàn)有的氫大多來源于化石能源重整制氫及工業(yè)副產(chǎn)氫。而電解水制氫是未來真正具有規(guī)?；瘽摿Φ木G氫制造方式,具體包括堿性電解水制氫［81］、固體聚合物電解質(zhì)電解水制氫［82］和高溫固體氧化物電解水制氫［83］。目前,電解水制氫的核心問題在于能耗高、效率低,需要突破如何搭建集中式大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)、提高電解槽的能源利用效率等方面的技術(shù)瓶頸。在儲氫方面,高壓氣態(tài)儲氫是最普通、直接的儲氫方式,而低溫液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫因儲氫密度高、安全性好具備巨大發(fā)展?jié)摿Γ?4-85］。但這些儲氫方式都普遍存在能耗高、儲氫材料昂貴的缺點(diǎn),因此,降低儲氫成本,實(shí)現(xiàn)儲氫商業(yè)化成為了未來的研究重點(diǎn)。在輸氫方面,與天然氣類似,容器運(yùn)輸和管道運(yùn)輸將成為未來氫能的主要運(yùn)輸方式［86］。容器運(yùn)輸?shù)妮敋湟?guī)模小,適用于短距離、用戶分散的場景。對于長距離運(yùn)輸,純氫管道運(yùn)輸初始投資成本較高。天然氣摻氫管道運(yùn)輸由于可以利用現(xiàn)有成熟的天然氣管網(wǎng)及配套設(shè)備而成為最理想的長距離輸氫方式,但未來仍然需要解決相關(guān)設(shè)備和材料的氫脆現(xiàn)象［87］。在用氫方面,現(xiàn)有90%的氫都是工業(yè)原料［88］。在克服規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化難題后,綠氫還可以作為天然氣、石油在燃料方面的替代者在交通部門大規(guī)模使用。總的來說,通過突破氫能在制造、存儲、運(yùn)輸和利用等環(huán)節(jié)的瓶頸,真正實(shí)現(xiàn)氫能“制-儲-輸-用”全鏈條發(fā)展,推行綠氫生產(chǎn)與消費(fèi),對UES 綠色低碳發(fā)展具有重要意義。

3.3 在終端能源消費(fèi)環(huán)節(jié)，強(qiáng)化能耗雙控工作，做到能源利用節(jié)約化、高效化

如圖4 所示,一次能源或是直接被消費(fèi),或是轉(zhuǎn)化為二次能源間接被消費(fèi),兩種過程都會產(chǎn)生損耗。2020 年中國的能源損耗率高達(dá)29.05%,因此,提高能源消耗強(qiáng)度、降低能源消耗總量的需求日益迫切。

能源梯級利用技術(shù)便是UES 中一個(gè)提升能源利用效率的有效方法。能源梯級利用技術(shù)遵循“品味對口,梯級利用”的原則［89］,既要做到按質(zhì)用能,盡量不使用高品位能源去做低品位能源可以完成的工作,又要做到逐級多次利用,由高到低依次滿足不同品位的能源需求。在應(yīng)用方面,文獻(xiàn)［90］和文獻(xiàn)［91］針對工廠等終端能源系統(tǒng),基于能源梯級利用的思想,分別建立了站網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃和多能優(yōu)化運(yùn)行模型；文獻(xiàn)［92］探索了退役鋰電池?zé)峁芾砑夹g(shù),實(shí)現(xiàn)了退役鋰電池的梯級利用,從而減少能源浪費(fèi)。現(xiàn)有能源梯級利用技術(shù)的應(yīng)用大多集中于工業(yè)領(lǐng)域,未來需要進(jìn)一步推廣其在建筑、交通等領(lǐng)域的發(fā)展。

除此之外,不同的終端部門還要不斷強(qiáng)化能耗雙控工作。工業(yè)領(lǐng)域既要對傳統(tǒng)加工工業(yè)等進(jìn)行智能化改造,又要積極發(fā)展低能耗先進(jìn)制造業(yè)；建筑領(lǐng)域既要提升新建建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),又要優(yōu)化已有建筑用能結(jié)構(gòu)；交通領(lǐng)域既要推廣電動汽車、氫燃料汽車的使用,又要優(yōu)化客運(yùn)組織和物流運(yùn)輸；農(nóng)業(yè)領(lǐng)域既要發(fā)展滴灌技術(shù)、精準(zhǔn)施肥、精確殺蟲技術(shù)減少自然資源和化學(xué)品消耗,又要加強(qiáng)廢棄物循環(huán)利用；服務(wù)業(yè)領(lǐng)域,更多的是要全民節(jié)能,倡導(dǎo)綠色低碳的生活方式［93］。

3.4 在碳移除環(huán)節(jié)，提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力，發(fā)展負(fù)排放技術(shù)，促進(jìn)社會零碳化、負(fù)碳化

在城市中,能源活動以及其他人類活動必然會進(jìn)行碳排放,上述環(huán)節(jié)只能做到減碳。真正達(dá)到零排放、負(fù)排放,還需要在碳移除環(huán)節(jié)進(jìn)行努力。對于已經(jīng)完成的碳排放,一方面,通過退耕還林、退耕還草,提升生態(tài)碳匯能力,有效發(fā)揮森林、草原、濕地、土壤的固碳作用；另一方面,需要不斷推動負(fù)排放技術(shù)研發(fā),強(qiáng)化深度二氧化碳減排。

作為最重要的負(fù)排放技術(shù),碳捕集、利用與封存（carbon capture,utilization and storage,CCUS）技術(shù)已經(jīng)成為中國踐行低碳發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵選擇。CCUS 技術(shù)主要包括二氧化碳的捕集、運(yùn)輸、封存和利用這4 個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié),其中,最重要的是捕集和利用。文獻(xiàn)［94］總結(jié)了碳捕集的3 種技術(shù)手段:1）燃燒前捕集,在燃燒前將碳從燃料中脫除；2）燃燒后捕集,將二氧化碳從燃燒生成的煙氣中分離；3）富氧捕集。文獻(xiàn)［95］闡述了地質(zhì)應(yīng)用、化工應(yīng)用、生物應(yīng)用、礦化應(yīng)用和物理應(yīng)用等碳利用的5 種方式并分析了CCUS 技術(shù)在電力（主要是火電廠）、煤化工、石油化工、水泥、鋼鐵等行業(yè)的示范性項(xiàng)目中的技術(shù)應(yīng)用和顯著作用。盡管CCUS 技術(shù)在國家大力推動下,已經(jīng)取得了一系列豐碩成果,但仍舊需要進(jìn)一步探索配額分配和碳價(jià)格等碳交易核心機(jī)制,從而推動碳交易市場的建立,促進(jìn)CCUS 技術(shù)的商業(yè)化推廣。

4 結(jié)語

面對氣候惡化、環(huán)境污染、能源短缺等挑戰(zhàn),中國提出了“碳中和·碳達(dá)峰”的目標(biāo),能源行業(yè)正是碳減排的核心。城市作為人類活動的中心,UES 將在能源綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用。

本文從UES 的形態(tài)結(jié)構(gòu)入手,分析了UES 在生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)環(huán)節(jié)中正發(fā)生的深刻變化,剖析了UES 多能耦合的功能結(jié)構(gòu)和層級分布的空間結(jié)構(gòu),詳細(xì)闡述了UES 開放互聯(lián)互惠、能源交通一體化發(fā)展和信息物理高度融合的典型特征；進(jìn)而討論了UES 協(xié)同規(guī)劃和優(yōu)化運(yùn)行兩個(gè)關(guān)鍵問題；最后從一次能源供給、二次能源轉(zhuǎn)換、終端能源消費(fèi)和碳移除等4 個(gè)環(huán)節(jié)展望了UES 的發(fā)展路徑。

UES 的建設(shè)離不開不同學(xué)科和領(lǐng)域的方法、理論和技術(shù)的進(jìn)步,也離不開規(guī)劃、運(yùn)行、交易、保護(hù)和控制等關(guān)鍵問題的解決,更離不開設(shè)計(jì)者和相關(guān)研究人員的創(chuàng)新。這將是一個(gè)漫長的過程,希望本文的研究工作能提供一些思路和參考。