劉慶權(quán) 萬(wàn)智赟 王曉然

（廣東順德電力設(shè)計(jì)院有限公司，廣東佛山 528300）

0 引言

2022 年，我國(guó)國(guó)家能源局頒布的《2022 年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)》中明確指出，要充分利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)分布式能源等智慧能源與智慧園區(qū)的協(xié)調(diào)發(fā)展。零碳園區(qū)是“雙碳”背景下誕生的全新發(fā)展理念，倡導(dǎo)園區(qū)內(nèi)可再生能源的使用，使園區(qū)能源系統(tǒng)由高碳過(guò)渡到零碳。然而基于零碳園區(qū)的創(chuàng)新性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該發(fā)展理念的研究并不深入，其優(yōu)化規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)尚未明確。為實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)，提升零碳園區(qū)發(fā)展質(zhì)量，需要對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行歸納[1]。

1 零碳園區(qū)的內(nèi)涵

零碳園區(qū)是能源互聯(lián)網(wǎng)與雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)發(fā)展背景下提出的新概念，主要強(qiáng)調(diào)園區(qū)內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、建筑設(shè)計(jì)、交通運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性和低碳性，是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。面向能源互聯(lián)網(wǎng)的零碳園區(qū)主要是運(yùn)用數(shù)字化手段對(duì)節(jié)能減排措施進(jìn)行整合，并通過(guò)智慧化系統(tǒng)進(jìn)行管理，從而實(shí)現(xiàn)園區(qū)低碳化發(fā)展。通過(guò)能源、產(chǎn)業(yè)、生態(tài)等多領(lǐng)域的技術(shù)集成與管理，打造碳排放量趨近于零的園區(qū)[2]。零碳園區(qū)充分考慮能源系統(tǒng)中風(fēng)、光等清潔能源的互補(bǔ)屬性，基于多能轉(zhuǎn)換、多能互補(bǔ)、多網(wǎng)融合實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同發(fā)展。

2 面向能源互聯(lián)網(wǎng)的零碳園區(qū)優(yōu)化規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多能互補(bǔ)與集成優(yōu)化

零碳園區(qū)將用戶側(cè)需求作為規(guī)劃導(dǎo)向，將生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化等設(shè)備及需要使用的電力、天然氣能源連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)、集成優(yōu)化。其中，多能互補(bǔ)并不是零碳園區(qū)誕生后出現(xiàn)的新興概念，已長(zhǎng)期應(yīng)用于能源領(lǐng)域規(guī)劃設(shè)計(jì)，能源系統(tǒng)每進(jìn)行一次轉(zhuǎn)化，都會(huì)出現(xiàn)不同形式的能源互補(bǔ)，園區(qū)發(fā)展過(guò)程中使用的多種能源形勢(shì)能夠得到協(xié)同優(yōu)化，有助于多能源的梯級(jí)化使用。

近年來(lái)，零碳園區(qū)的出現(xiàn)使多能互補(bǔ)、集成優(yōu)化再次成為能源規(guī)劃領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。目前，我國(guó)對(duì)該關(guān)鍵技術(shù)的研究主要集中在多能流混合模型的搭建、多能流交易等方面。結(jié)合零碳園區(qū)發(fā)展實(shí)際，多能流混合模型的搭建是優(yōu)化零碳園區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，多能流交易等能夠?yàn)榱闾紙@區(qū)優(yōu)化規(guī)劃提供上層支持。值得注意的是，盡管利用能源互聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)⒗?、熱、電、氣等能源設(shè)備銜接在一起，但相較于單一的能源管理系統(tǒng)，這一耦合的運(yùn)行模式也會(huì)對(duì)能源系統(tǒng)發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響[3]。例如，熱能系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，與之相連的電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷驟然增加，電力、天然氣等能量供應(yīng)受到影響，甚至增加能源系統(tǒng)的全局負(fù)荷。然而，目前我國(guó)零碳園區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)鮮少考慮到這一點(diǎn)。因此，零碳園區(qū)的規(guī)劃除利用多能互補(bǔ)、集成優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)外，還要對(duì)能源網(wǎng)荷之間的相互影響進(jìn)行思考。

2.2 負(fù)載管理與優(yōu)化技術(shù)

零碳園區(qū)的發(fā)展需要相關(guān)設(shè)備持續(xù)運(yùn)行，而零碳園區(qū)的能源需求穩(wěn)定性較低、波動(dòng)性較強(qiáng)，該系統(tǒng)在全負(fù)荷和無(wú)負(fù)荷下的能量消耗差值可達(dá)100%，這一特性決定了零碳園區(qū)新能源消納具有較強(qiáng)的不確定性。為避免不必要事故的出現(xiàn)，許多園區(qū)增加了備用冗余設(shè)備?；谀茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃，零碳園區(qū)的能源需求峰值和峰谷差值得到了明顯的改善，可再生能源得到了有效的利用，從而提高了零碳園區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[4]。零碳園區(qū)內(nèi)的不同設(shè)備工作負(fù)載，可以利用智能算法進(jìn)行資源配置，優(yōu)化服務(wù)器的啟停，有利于降低園區(qū)發(fā)展過(guò)程中能源的消耗量。在考慮電價(jià)的情況下，利用時(shí)間維度的負(fù)荷轉(zhuǎn)移控制購(gòu)能費(fèi)用，并對(duì)可再生能源的接入進(jìn)行全面考慮，通過(guò)調(diào)度策略對(duì)可再生能源及園區(qū)負(fù)載進(jìn)行合理配置。

從負(fù)荷管理和優(yōu)化技術(shù)的角度看，如果僅僅注重零碳園區(qū)負(fù)荷調(diào)節(jié)能力的提升，將不利于發(fā)揮園區(qū)的運(yùn)營(yíng)潛能。因此，在實(shí)現(xiàn)這一關(guān)鍵技術(shù)時(shí)，必須充分考慮園區(qū)工業(yè)、商業(yè)等其他類型的負(fù)荷調(diào)節(jié)。例如，以調(diào)度中心為基礎(chǔ)的集中激勵(lì)需求端響應(yīng)和以能源價(jià)格為基礎(chǔ)的需求端響應(yīng)，充分考慮了能量消納的不確定性，能夠?yàn)閳@區(qū)內(nèi)能源調(diào)控能力的提升奠定基礎(chǔ)。

2.3 多能流調(diào)度規(guī)劃技術(shù)

PEI-DC 是集冷、熱、電等多種能量于一身的電力系統(tǒng)，科學(xué)地安排這一系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)零碳園區(qū)能源協(xié)調(diào)發(fā)展的重點(diǎn)?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)多能流調(diào)度規(guī)劃技術(shù)的研究較多，其研究范圍主要是多能流調(diào)度技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，部分學(xué)者還對(duì)能源設(shè)備調(diào)度方法進(jìn)行了深入分析[5]。

PEI-DC 作為集多種能源于一體的系統(tǒng)，同樣具有不確定性，且該不確定性的復(fù)雜程度遠(yuǎn)在單一系統(tǒng)之上，可能在能源生產(chǎn)、傳輸?shù)榷鄠€(gè)環(huán)節(jié)均有所分布。因此，在零碳園區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，對(duì)不確定因素的處理技術(shù)進(jìn)行深入探討也是十分有必要的?，F(xiàn)有的研究主要是通過(guò)區(qū)間優(yōu)化、魯棒優(yōu)化等方法改善系統(tǒng)自身的不確定性，但上述方法忽略了規(guī)劃調(diào)度階段的能量需求特征。

多能流調(diào)度技術(shù)是一種以余熱回收、負(fù)荷管理為基礎(chǔ)的技術(shù)種類。對(duì)PEI-DC 的科學(xué)調(diào)度方法進(jìn)行研究，要對(duì)零碳園區(qū)的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行考量，據(jù)此建立轉(zhuǎn)換模型，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)與能源需求特性的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、環(huán)保性。

2.4 能源與交通耦合技術(shù)

交通部門是零碳園區(qū)內(nèi)能源消耗的主要部門，其碳排放強(qiáng)度相對(duì)較高。近年來(lái)，電動(dòng)汽車、天然氣汽車技術(shù)的出現(xiàn)使園區(qū)內(nèi)交通系統(tǒng)的獨(dú)立性逐漸弱化，交通系統(tǒng)與園區(qū)電力系統(tǒng)的銜接更加緊密，因此零碳園區(qū)優(yōu)化規(guī)劃需要對(duì)交通系統(tǒng)管理引起重視。從系統(tǒng)發(fā)展角度來(lái)說(shuō)，面向能源互聯(lián)網(wǎng)的能源—交通耦合技術(shù)，有助于能源與交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行水平的提升有促進(jìn)作用。從使用者的角度來(lái)看，能源-交通耦合技術(shù)能夠?qū)煌ㄓ媚艿臅r(shí)空分布進(jìn)行靈活調(diào)整，有助于零碳園區(qū)內(nèi)用戶體驗(yàn)感的提升。

3 面向能源互聯(lián)網(wǎng)的零碳園區(qū)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 基于共享理念的零碳園區(qū)發(fā)展

共享理念最早廣泛應(yīng)用于基于博弈論的能源共享模型搭建及能源共享等領(lǐng)域。零碳園區(qū)將能源共享作為發(fā)展核心，不斷應(yīng)用、完善、優(yōu)化共享理念是促進(jìn)零碳園區(qū)發(fā)展的必要要求。

首先，零碳園區(qū)的規(guī)劃要充分考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的全局性與層次性，即確保該方案的實(shí)施能夠?qū)崿F(xiàn)能源的全局共享，且保證多類型能源設(shè)備和負(fù)荷資源能夠得到合理分配。能源共享理論與能源互聯(lián)網(wǎng)的物理邏輯相吻合，基于能源共享理論的零碳園區(qū)發(fā)展規(guī)劃能夠?qū)⒛茉瓷a(chǎn)、傳輸、消費(fèi)等各個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)在一起，生成全產(chǎn)業(yè)鏈，并在全生命周期內(nèi)進(jìn)行能源共享，這與零碳園區(qū)的未來(lái)發(fā)展方向是高度一致的。其次，隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，零碳園區(qū)中無(wú)線專網(wǎng)、光纖專網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用愈發(fā)普及，并且這些物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為促進(jìn)多種網(wǎng)絡(luò)交叉融合的重要載體，零碳園區(qū)中能源主體的產(chǎn)消邊界模糊性更強(qiáng)，供與需的身份也在不斷變化。

3.2 基于數(shù)字孿生的零碳園區(qū)發(fā)展

數(shù)字孿生技術(shù)，即數(shù)字鏡像，是一種基于現(xiàn)實(shí)空間映射虛擬數(shù)字空間，且能夠?qū)ξ锢硐到y(tǒng)狀態(tài)及變化進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬的技術(shù)種類。未來(lái)，能源系統(tǒng)必將成為零碳園區(qū)管理的重要組成部分?；谀茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的零碳園區(qū)，不僅能夠?yàn)閳@區(qū)發(fā)展的各項(xiàng)需求提供針對(duì)性服務(wù)，還能夠與其他領(lǐng)域進(jìn)行信息交互?；跀?shù)字孿生的零碳園區(qū)發(fā)展規(guī)劃是利用全息全景鏡像提供的空間幾何信息對(duì)園區(qū)內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。模塊化思想是數(shù)字孿生技術(shù)的主要思想，有助于零碳園區(qū)發(fā)展規(guī)劃相關(guān)信息的收集，降低零碳園區(qū)系統(tǒng)規(guī)劃的難度。在數(shù)字孿生技術(shù)的支持下，零碳園區(qū)能夠在虛擬、真實(shí)的測(cè)試環(huán)境中對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，從而賦予園區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)更加豐富的實(shí)踐內(nèi)涵，探索零碳園區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)的更多可能性。

3.3 面向云端儲(chǔ)能的零碳園區(qū)發(fā)展

零碳園區(qū)中基于可再生能源的發(fā)電設(shè)備較多，如分布式光伏、風(fēng)力渦輪機(jī)等。這些設(shè)備發(fā)生的電能隨機(jī)性較強(qiáng)，且會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，儲(chǔ)能技術(shù)能夠?qū)⒍嘤嗟目稍偕娔芪?，抑或者通過(guò)負(fù)荷曲線移峰控制園區(qū)用電量。但由于儲(chǔ)能裝置普遍成本較高，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的廣泛推廣與應(yīng)用起到了限制作用?；诖耍覈?guó)學(xué)者提出了利用云端進(jìn)行儲(chǔ)能的發(fā)展概念，將用戶側(cè)的存儲(chǔ)設(shè)備整合到云端，并以虛擬存儲(chǔ)代替實(shí)物存儲(chǔ)，云儲(chǔ)能供應(yīng)商可通過(guò)通信系統(tǒng)等與消費(fèi)者進(jìn)行信息交互，從而獲取租賃費(fèi)用。

目前，已有的零碳園區(qū)規(guī)劃研究以實(shí)體儲(chǔ)能為主。因此，未來(lái)的零碳園區(qū)發(fā)展可更多地考慮云儲(chǔ)能。例如，考慮構(gòu)建云儲(chǔ)能系統(tǒng)租賃成本模型，據(jù)此對(duì)云儲(chǔ)能租賃成本與租賃容量等因素進(jìn)行分析。有關(guān)研究顯示，能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，云儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用能夠更好地維持能源供應(yīng)商與消費(fèi)者之間的平衡關(guān)系。從成本方面考慮，基于云儲(chǔ)能技術(shù)的供應(yīng)商投資成本能夠得到控制。此外，面向能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)體儲(chǔ)能，其總量與云儲(chǔ)能用戶的需求相比較小，云儲(chǔ)能系統(tǒng)供應(yīng)商的投資成本進(jìn)一步降低[6]。

3.4 多園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同的發(fā)展

隨著數(shù)字化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)以及國(guó)家新基建政策的支持，以能源互聯(lián)網(wǎng)為核心的零碳園區(qū)愈發(fā)多樣，從而逐漸形成多園區(qū)能源互聯(lián)、信息互通的局面。隨著電力系統(tǒng)的改革和能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，電力和能源市場(chǎng)得到了新的發(fā)展機(jī)會(huì)。在日趨開(kāi)放的能源市場(chǎng)環(huán)境下，區(qū)域內(nèi)PEI-DC 主體可以結(jié)合能源價(jià)格的變化趨勢(shì)，考慮自身發(fā)展利益，達(dá)成合作或博弈協(xié)同關(guān)系，一定程度上對(duì)園區(qū)運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)以能源價(jià)格為基礎(chǔ)對(duì)零碳園區(qū)開(kāi)發(fā)進(jìn)行了相關(guān)研究，但是關(guān)于零碳園區(qū)負(fù)荷空間和時(shí)間特征的研究卻很少。前面提及的大部分園區(qū)負(fù)載都來(lái)源于本地，如果僅以能源價(jià)格為導(dǎo)向，僅能達(dá)到時(shí)間維度的平移。鑒于此，未來(lái)的零碳園區(qū)發(fā)展規(guī)劃科技與不同區(qū)域的能源價(jià)格，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算業(yè)務(wù)向數(shù)據(jù)中心的轉(zhuǎn)移，為空間維度負(fù)荷轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)[7]。這要求零碳園區(qū)發(fā)展過(guò)程中，充分考慮負(fù)荷的時(shí)空雙重特性，從而實(shí)現(xiàn)園區(qū)的高效運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

面向能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)零碳園區(qū)優(yōu)化規(guī)劃工作進(jìn)行思考是實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)零碳園區(qū)優(yōu)化規(guī)劃工作展開(kāi)了系統(tǒng)研究，但尚未形成成熟的研究體系。當(dāng)前，面向能源互聯(lián)網(wǎng)的零碳園區(qū)規(guī)劃技術(shù)種類多樣，基于園區(qū)不同的發(fā)展需求，可使用多能互補(bǔ)—集成優(yōu)化、能源—交通系統(tǒng)耦合等多種關(guān)鍵技術(shù)。值得注意的是，盡管技術(shù)種類多樣，但零碳園區(qū)電力能源供應(yīng)仍然具有較大的不確定性，現(xiàn)有的技術(shù)種類難以充分滿足零碳園區(qū)的應(yīng)用需求。因此，需要結(jié)合零碳園區(qū)不同階段的發(fā)展特征開(kāi)展進(jìn)一步研究，探索零碳園區(qū)優(yōu)化規(guī)劃的更多方案與更多可能性。