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)與發(fā)展趨勢

劉慶權(quán) 萬智赟 王曉然

（廣東順德電力設(shè)計院有限公司，廣東佛山 528300）

0 引言

2022 年，我國國家能源局頒布的《2022 年能源工作指導意見》中明確指出，要充分利用技術(shù)優(yōu)勢，推動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)由高碳過渡到零碳。然而基于零碳園區(qū)的創(chuàng)新性，國內(nèi)外學者對該發(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)展趨勢尚未明確。為實現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略目標，提升零碳園區(qū)發(fā)展質(zhì)量，需要對其關(guān)鍵技術(shù)進行歸納[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)略目標發(fā)展背景下提出的新概念，主要強調(diào)園區(qū)內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、建筑設(shè)計、交通運輸?shù)慕?jīng)濟性和低碳性，是實現(xiàn)雙碳目標的重要環(huán)節(jié)。面向能源互聯(lián)網(wǎng)的零碳園區(qū)主要是運用數(shù)字化手段對節(jié)能減排措施進行整合，并通過智慧化系統(tǒng)進行管理，從而實現(xiàn)園區(qū)低碳化發(fā)展。通過能源、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、光等清潔能源的互補屬性，基于多能轉(zhuǎn)換、多能互補、多網(wǎng)融合實現(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 多能互補與集成優(yōu)化

零碳園區(qū)將用戶側(cè)需求作為規(guī)劃導向，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，從而實現(xiàn)多能互補、集成優(yōu)化。其中，多能互補并不是零碳園區(qū)誕生后出現(xiàn)的新興概念，已長期應(yīng)用于能源領(lǐng)域規(guī)劃設(shè)計，能源系統(tǒng)每進行一次轉(zhuǎn)化，都會出現(xiàn)不同形式的能源互補，園區(qū)發(fā)展過程中使用的多種能源形勢能夠得到協(xié)同優(yōu)化，有助于多能源的梯級化使用。

近年來，零碳園區(qū)的出現(xiàn)使多能互補、集成優(yōu)化再次成為能源規(guī)劃領(lǐng)域的研究重點。目前，我國對該關(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)計的重要基礎(chǔ)，多能流交易等能夠為零碳園區(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)，這一耦合的運行模式也會對能源系統(tǒng)發(fā)展產(chǎn)生負面影響[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)運行負荷驟然增加，電力、天然氣等能量供應(yīng)受到影響，甚至增加能源系統(tǒng)的全局負荷。然而，目前我國零碳園區(qū)規(guī)劃設(shè)計鮮少考慮到這一點。因此，零碳園區(qū)的規(guī)劃除利用多能互補、集成優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)外，還要對能源網(wǎng)荷之間的相互影響進行思考。

2.2 負載管理與優(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)運行，而零碳園區(qū)的能源需求穩(wěn)定性較低、波動性較強，該系統(tǒng)在全負荷和無負荷下的能量消耗差值可達100%，這一特性決定了零碳園區(qū)新能源消納具有較強的不確定性。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)備工作負載，可以利用智能算法進行資源配置，優(yōu)化服務(wù)器的啟停，有利于降低園區(qū)發(fā)展過程中能源的消耗量。在考慮電價的情況下，利用時間維度的負荷轉(zhuǎn)移控制購能費用，并對可再生能源的接入進行全面考慮，通過調(diào)度策略對可再生能源及園區(qū)負載進行合理配置。

從負荷管理和優(yōu)化技術(shù)的角度看，如果僅僅注重零碳園區(qū)負荷調(diào)節(jié)能力的提升，將不利于發(fā)揮園區(qū)的運營潛能。因此，在實現(xiàn)這一關(guān)鍵技術(shù)時，必須充分考慮園區(qū)工業(yè)、商業(yè)等其他類型的負荷調(diào)節(jié)。例如，以調(diào)度中心為基礎(chǔ)的集中激勵需求端響應(yīng)和以能源價格為基礎(chǔ)的需求端響應(yīng)，充分考慮了能量消納的不確定性，能夠為園區(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)，科學地安排這一系統(tǒng)是實現(xiàn)零碳園區(qū)能源協(xié)調(diào)發(fā)展的重點?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外對多能流調(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)濟性和環(huán)保性，部分學者還對能源設(shè)備調(diào)度方法進行了深入分析[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，且該不確定性的復雜程度遠在單一系統(tǒng)之上，可能在能源生產(chǎn)、傳輸?shù)榷鄠€環(huán)節(jié)均有所分布。因此，在零碳園區(qū)的規(guī)劃設(shè)計中，對不確定因素的處理技術(shù)進行深入探討也是十分有必要的?，F(xiàn)有的研究主要是通過區(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、負荷管理為基礎(chǔ)的技術(shù)種類。對PEI-DC 的科學調(diào)度方法進行研究，要對零碳園區(qū)的業(yè)務(wù)需求進行考量，據(jù)此建立轉(zhuǎn)換模型，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)與能源需求特性的強關(guān)聯(lián)性，提升設(shè)備運行的穩(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，其碳排放強度相對較高。近年來，電動汽車、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)劃需要對交通系統(tǒng)管理引起重視。從系統(tǒng)發(fā)展角度來說，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，對于系統(tǒng)運行水平的提升有促進作用。從使用者的角度來看，能源-交通耦合技術(shù)能夠?qū)煌ㄓ媚艿臅r空分布進行靈活調(diào)整，有助于零碳園區(qū)內(nèi)用戶體驗感的提升。

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

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)計方案的全局性與層次性，即確保該方案的實施能夠?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、消費等各個環(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)進行能源共享，這與零碳園區(qū)的未來發(fā)展方向是高度一致的。其次，隨著信息技術(shù)的不斷進步，零碳園區(qū)中無線專網(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，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)及變化進行實時模擬的技術(shù)種類。未來，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)，不僅能夠為園區(qū)發(fā)展的各項需求提供針對性服務(wù)，還能夠與其他領(lǐng)域進行信息交互?；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園區(qū)內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)進行優(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、真實的測試環(huán)境中對規(guī)劃方案進行客觀評價，從而賦予園區(qū)規(guī)劃設(shè)計更加豐富的實踐內(nèi)涵，探索零碳園區(qū)規(guī)劃設(shè)計的更多可能性。

3.3 面向云端儲能的零碳園區(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、風力渦輪機等。這些設(shè)備發(fā)生的電能隨機性較強，且會產(chǎn)生較大波動，儲能技術(shù)能夠?qū)⒍嘤嗟目稍偕娔芪?，抑或者通過負荷曲線移峰控制園區(qū)用電量。但由于儲能裝置普遍成本較高，對儲能技術(shù)的廣泛推廣與應(yīng)用起到了限制作用?；诖?，我國學者提出了利用云端進行儲能的發(fā)展概念，將用戶側(cè)的存儲設(shè)備整合到云端，并以虛擬存儲代替實物存儲，云儲能供應(yīng)商可通過通信系統(tǒng)等與消費者進行信息交互，從而獲取租賃費用。

目前，已有的零碳園區(qū)規(guī)劃研究以實體儲能為主。因此，未來的零碳園區(qū)發(fā)展可更多地考慮云儲能。例如，考慮構(gòu)建云儲能系統(tǒng)租賃成本模型，據(jù)此對云儲能租賃成本與租賃容量等因素進行分析。有關(guān)研究顯示，能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，云儲能技術(shù)的應(yīng)用能夠更好地維持能源供應(yīng)商與消費者之間的平衡關(guān)系。從成本方面考慮，基于云儲能技術(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)的實體儲能，其總量與云儲能用戶的需求相比較小，云儲能系統(tǒng)供應(yīng)商的投資成本進一步降低[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)字化進程的持續(xù)推進以及國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，電力和能源市場得到了新的發(fā)展機會。在日趨開放的能源市場環(huán)境下，區(qū)域內(nèi)PEI-DC 主體可以結(jié)合能源價格的變化趨勢，考慮自身發(fā)展利益，達成合作或博弈協(xié)同關(guān)系，一定程度上對園區(qū)運行的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。目前，國內(nèi)已經(jīng)以能源價格為基礎(chǔ)對零碳園區(qū)開發(fā)進行了相關(guān)研究，但是關(guān)于零碳園區(qū)負荷空間和時間特征的研究卻很少。前面提及的大部分園區(qū)負載都來源于本地，如果僅以能源價格為導向，僅能達到時間維度的平移。鑒于此，未來的零碳園區(qū)發(fā)展規(guī)劃科技與不同區(qū)域的能源價格，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)運算業(yè)務(wù)向數(shù)據(jù)中心的轉(zhuǎn)移，為空間維度負荷轉(zhuǎn)移的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)[7]。這要求零碳園區(qū)發(fā)展過程中，充分考慮負荷的時空雙重特性，從而實現(xiàn)園區(qū)的高效運行。

4 結(jié)語

面向能源互聯(lián)網(wǎng)對零碳園區(qū)優(yōu)化規(guī)劃工作進行思考是實現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略目標的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外許多學者已經(jīng)對零碳園區(qū)優(yōu)化規(guī)劃工作展開了系統(tǒng)研究，但尚未形成成熟的研究體系。當前，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—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)展特征開展進一步研究，探索零碳園區(qū)優(yōu)化規(guī)劃的更多方案與更多可能性。