一、專欄概況

園區(qū)是我國產業(yè)聚集、工業(yè)化、城市化的重要載體，其綠色低碳發(fā)展是我國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的重要抓手。2021年，國務院發(fā)布《2030年前碳達峰行動方案的通知》，強調要“打造一批達到國際先進水平的節(jié)能低碳園區(qū)”，“建設綠色工廠和綠色工業(yè)園區(qū)”，“推進產業(yè)園區(qū)循環(huán)化發(fā)展”等。低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)集成了電、氣、冷/熱、電氣化交通等城市能源系統(tǒng)的核心要素，涉及到建筑、電氣、能源等交叉學科領域。支撐園區(qū)低碳甚至零碳運行的綜合能源系統(tǒng)技術路徑設計與系統(tǒng)規(guī)劃、建模分析、運行控制、碳排放追蹤與管控等方面，是近年來國內外學術研究的熱點。

為展示該領域的最新進展，交流學術和技術成果，《中國電力》編輯部特邀澳門大學張洪財助理教授、四川大學向月副教授、河海大學陳勝青年教授共同擔任特約主編，組織“低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運行關鍵技術”專欄，于2023年12期刊出，責任編輯楊彪。該專欄共錄用4篇稿件，來稿單位涉及四川大學、國網(wǎng)江蘇省電力公司、廣東電網(wǎng)有限責任公司等高校、科研單位和企業(yè)。

二、主要內容

專欄發(fā)表的4篇文章分別從低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置、低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行等方面開展研究。

1. 低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置

在低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方面，本專欄刊出來自四川大學向月團隊的《計及需求響應的高比例清潔能源園區(qū)儲能容量優(yōu)化配置》1篇文章，主要內容如下。

考慮清潔能源具有不確定性和間歇性的特點，合理配備儲能系統(tǒng)可以幫助園區(qū)提高用電效率，減少能源浪費，有助于可再生能源的進一步消納。此外，政府為園區(qū)儲能項目提供補貼、稅收減免等優(yōu)惠政策，這些政策可以降低儲能項目的成本，從而提高它們的投資吸引力。為了提高園區(qū)清潔能源消納水平、儲能配置經濟性，《計及需求響應的高比例清潔能源園區(qū)儲能容量優(yōu)化配置》提出一種考慮需求響應的高比例清潔能源園區(qū)儲能容量優(yōu)化配置方法。建立光伏、風機、儲能功率模型；其次，設計了考慮剛性、可轉移、可中斷負荷參與的設定需求響應機制，實現(xiàn)一定時間尺度下負荷的轉移。以系統(tǒng)總凈現(xiàn)成本最低為優(yōu)化目標，考慮入網(wǎng)功率波動、充放電限值等約束條件，建立儲能經濟配置模型。算例驗證了所提方法的有效性，并得到如下結論：考慮入網(wǎng)功率變化率標準，確定合適的時間顆粒度可以精細化配置儲能容量，提高儲能配置的經濟性。負荷側積極參與需求響應，可進一步促進風光消納，保證系統(tǒng)經濟可靠運行。

2. 低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行

在低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行方面，本專欄刊出來自國網(wǎng)江蘇省電力公司薛溟楓等的《基于聯(lián)邦學習的綜合能源微網(wǎng)群協(xié)同優(yōu)化運行方法》、廣東電網(wǎng)有限責任公司蘇志鵬等的《考慮階梯式碳交易及綜合需求響應的虛擬電廠優(yōu)化調度》，以及廣東電網(wǎng)有限責任公司黃蔚亮等的《考慮可調市場和外部需求響應的虛擬電廠優(yōu)化運行策略》3篇文章，主要內容如下。

1）針對現(xiàn)有多主體綜合能源微網(wǎng)群協(xié)同運行中，集中式優(yōu)化面臨的主體隱私保護、參數(shù)難以共享問題，以及分布式優(yōu)化面臨的優(yōu)化模型須大量簡化近似、全局最優(yōu)性難以保障的問題，《基于聯(lián)邦學習的綜合能源微網(wǎng)群協(xié)同優(yōu)化運行方法》提出了一種基于聯(lián)邦學習的多主體綜合能源微網(wǎng)群協(xié)調優(yōu)化運行方法，以實現(xiàn)主體隱私性與全局最優(yōu)性的兼顧。首先，基于GRU深度學習網(wǎng)絡構建各綜合能源微網(wǎng)的等值互動特性封裝模型并上傳至云端；其次，在不侵入各微網(wǎng)內部隱私數(shù)據(jù)的基礎上，將各微網(wǎng)等效模型加密后于云端匯總并進行聯(lián)邦學習；最后，依據(jù)云端聯(lián)邦學習的結果對邊端各綜合能源微網(wǎng)互動特性封裝模型進行修正和更新，迭代直至損失函數(shù)收斂，進而實現(xiàn)隱私保護下綜合能源微網(wǎng)群的全局協(xié)同優(yōu)化運行。通過典型的綜合能源微網(wǎng)群仿真算例驗證了該方法的可行性和有效性，結果表明：該方法能實現(xiàn)綜合能源微網(wǎng)群的快速高效優(yōu)化運行，并有效保護各參與方的數(shù)據(jù)隱私。

2）雙碳目標下，多能耦合協(xié)同運行的虛擬電廠(VPP)能夠有效提升系統(tǒng)經濟效益。為降低VPP碳排放量，同時挖掘綜合能源系統(tǒng)需求側可調節(jié)潛力，《考慮階梯式碳交易及綜合需求響應的虛擬電廠優(yōu)化調度》提出一種考慮階梯碳交易及綜合需求響應的虛擬電廠優(yōu)化調度模型?；陔A梯式碳交易機制，考慮虛擬電廠各組成元件約束，建立參與碳交易市場的虛擬電廠模型。將需求響應分為價格型需求響應和替代性需求響應，并分別構建價格型需求響應模型和替代性需求響應模型?？紤]購能成本、系統(tǒng)運營成本和階梯式碳交易成本，以VPP在調度周期內收益最大為目標函數(shù)建立虛擬電廠低碳經濟運行模型。通過算例仿真，得到結論：VPP參與需求響應在高峰負荷時段削減部分負荷低谷負荷時段補充負荷，在起到“削峰填谷”的作用的同時，還實現(xiàn)了需求側中電負荷與熱負荷的相互替代，實現(xiàn)了多能源間的深度耦合，提高了VPP運行的靈活性與經濟性；通過研究碳交易基價對系統(tǒng)運行的影響發(fā)現(xiàn)隨著碳交易基價的升高，系統(tǒng)總運行成本升高碳排放量降低，碳交易基價超過一個閾值后碳排放量接近系統(tǒng)正常運行的最低界限，進而趨于平穩(wěn)。

3）虛擬電廠參與電網(wǎng)需求響應已成為新型電力系統(tǒng)削峰填谷的重要手段，提高虛擬電廠在電力市場中的獲益能力十分關鍵?！犊紤]可調市場和外部需求響應的虛擬電廠優(yōu)化運行策略》提出一種考慮可調市場和外部需求響應的虛擬電廠優(yōu)化運行策略。建立調節(jié)市場(RM)和需求響應交換市場(DRXM)模型?？紤]外部需求響應(EDR)靈活性，建立虛擬電廠參與日前和調節(jié)市場的運行決策框架，DRXM作為多個EDR供應商的聚合者，向虛擬電廠提供EDR服務，降低RM的不平衡懲罰，提高虛擬電廠經濟性。構建虛擬電廠雙層優(yōu)化運行模型，在上層虛擬電廠通過參與DRXM降低RM懲罰，實現(xiàn)其利潤最大化，在下層配電系統(tǒng)運營商通過清除日前和調節(jié)市場偏差，實現(xiàn)其運行成本最小化，采用KKT條件將優(yōu)化模型轉化為線性單層問題求解。以改進IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)系統(tǒng)進行算例分析，得到結論：VPP可以在DRXM中進行交易，以增加其在日前市場中的銷售，同時減少其在RM中的不平衡處罰；DRXM交易不僅提高了VPP的利潤，而且保證了配電市場的最優(yōu)運行成本，DRXM為VPP提供了一個靈活的選擇，提高了系統(tǒng)的經濟性。

三、相關研究延伸

針對低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運行關鍵技術，還有學者從低碳園區(qū)碳捕集技術、低碳園區(qū)儲能技術、低碳園區(qū)監(jiān)測與智能化技術等方面開展研究。

1）低碳園區(qū)碳捕集技術方面，合肥工業(yè)大學齊先軍等[1]針對碳捕集設備，在8個應用場景下，選出碳排放量、棄風量和總成本均為最低的應用場景。在此過程中，目標函數(shù)可能會調整為同時最小化成本和排放的碳量，或者以減少碳排放為主要目標；發(fā)電單元的約束條件可能需要調整以考慮碳捕集設備的運行和排放限制；該技術在公式上也需要考慮多個因素的影響，包括碳捕集設備的效率、能源消耗、捕集后CO2的處理和儲存/利用方式等。西安交通大學黃雨涵等[2]則從能源供給和消費側的角度，梳理了包括碳捕集系統(tǒng)的運營與管理技術、運營成本、管理模式等方面的研究，并對碳捕集在能源低碳化中的作用進行了分析。

2）低碳園區(qū)儲能技術方面，上海電力大學施泉生等[3]將蓄電池、蓄熱電鍋爐和電轉氣（Power to gas，P2G）技術應用于低碳園區(qū)微網(wǎng)系統(tǒng)中，建立電-氣-熱混合儲能的IES，但其缺乏對儲氫IES的研究和分析。氫氣相比天然氣具有更高的能源密度，在相同體積下可以儲存更多的能量。武漢大學張鵬成等[4]從儲氫角度出發(fā)，構建“綠電-氫能-工業(yè)”耦合復雜系統(tǒng)，探討氫能驅動下鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)低碳發(fā)展模式。但該方法在實際應用中存在一定的技術難度和成本問題，且對于氫能驅動下的鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)低碳發(fā)展模式的實際應用效果和可行性，文中并未進行充分的驗證和分析。

3）在低碳園區(qū)監(jiān)測與智能化技術方面，西南大學蔡偉等[5]從能源監(jiān)測、評估、優(yōu)化和基準等多個方面，綜合探討了提高制造業(yè)能源性能的方法，分析了不同方法的特點和適用范圍。南瑞集團郝飛等[6]則融合了工業(yè)控制、能源管理、智能化技術等多個領域，實現(xiàn)了對IES的全面監(jiān)測和優(yōu)化。實現(xiàn)了對能源系統(tǒng)的動態(tài)調整和優(yōu)化，提高了IES的效率和可靠性。山東大學賈斌等[7]融合了多種技術手段，如物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)分析等，偏向建筑能源系統(tǒng)。未來的研究將更加關注系統(tǒng)的可靠性、安全性和經濟性等問題，同時也需要加強對系統(tǒng)實際應用和成本效益等問題的探討。

雙碳目標下，低碳園區(qū)乃至零碳園區(qū)將在未來我國產業(yè)的聚集、工業(yè)化、城市化中扮演更加重要的角色。實現(xiàn)該目標有兩個挑戰(zhàn)：1）現(xiàn)有的客觀環(huán)境難以全方位融入零碳理念（新園區(qū)的規(guī)劃及老園區(qū)的運營管理）；2）現(xiàn)有的研究缺乏對碳排放和碳吸收的綜合探索。此外，零碳園區(qū)級IES未來向著數(shù)字化、社會環(huán)境因素一體化、全域 IES 的方向發(fā)展的概率極大，呈多樣化趨勢。綜合考慮上述需求與挑戰(zhàn)，對低碳園區(qū)規(guī)劃與運行關鍵技術有如下建議。

1）低碳園區(qū)從規(guī)劃、建設到運營和管理，各個方面都融入了低碳理念。低碳園區(qū)的建設必須將碳中和作為其首要目標。這就需要設計者首先明確該目標，其次，設計者應當協(xié)調零碳園區(qū)整個生命周期的建設目標和運營管理，共同實現(xiàn)零碳排放，顯著提高碳減排效率。

2）數(shù)字化將成為零碳園區(qū)未來的發(fā)展趨勢，可以幫助零碳園區(qū)實時收集和監(jiān)測能源使用、碳排放等相關數(shù)據(jù)。通過實現(xiàn)遠程抄表、能源分析、高效管理等，全面把控現(xiàn)存老舊園區(qū)能源使用情況，實現(xiàn)園區(qū)用能和碳排放的精細化管理，從而提高老舊園區(qū)的能源管理水平。

3）從碳循環(huán)角度講，當碳吸收與排放達到平衡時才能實現(xiàn)碳中和，因此碳中和本質是一個以政策為導向的技術驅動過程。固碳技術目前仍面臨高成本和能耗問題，同時大規(guī)模應用碳捕集技術還需要解決二氧化碳的存儲和后處理問題。

4）設計者應當適宜利用當?shù)刈匀毁Y源的優(yōu)勢來提高園區(qū)的碳中和水平[8]。一方面，利用好當?shù)氐淖匀毁Y源，如風能、太陽能、水電，解決園區(qū)大部分的能源供應需求，剩余能源需求可以通過智能電網(wǎng)來補充，實現(xiàn)園區(qū)的零碳能源。另一方面，采用生態(tài)碳匯在園區(qū)內創(chuàng)造小的生態(tài)氣候區(qū)，按照建筑碳排放進行設計和分布，在園區(qū)內創(chuàng)造園林景觀，吸引住戶參與生態(tài)碳匯設施的維護和運營[9]。