面向零碳园区的综合能源系统优化运行技术综述

第48卷第5期2024年5月 电网技术 PowerSystemTechnology Vol.48No.5May2024 文章编号：1000-3673（2024）05-1821-15 中图分类号：TM721文献标志码：A 学科代码：470·40 面向零碳园区的综合能源系统优化运行技术综述 葛磊蛟，李京京，李昌禄，刘航旭 （天津大学电气自动化与信息工程学院，天津市南开区300072） OverviewofIntegratedEnergySystemOptimalOperationTechnologyforZero-carbonParks GELeijiao,LIJingjing,LIChanglu,LIUHangxu (SchoolofElectricalandInformationEngineering,TianjinUniversity,NankaiDistrict,Tianjin300072,China) ABSTRACT:Theintegratedenergysystem(IES)ofzerocarbonparkunderthedual-carbongoalhasbecomethefocusofenergy-savingandcarbon-reductionpoliciesinChina.However,withthecharacteristicsofsource-network-load-storageintegration,multi-energycomplementarity,anddynamicgames,thepark-levelintegratedenergysystemhasthestronguncertaintyandunknowncouplingmechanisminitsoptimizationtechnology.Itisapromisingsolutiontosummarizetheresearchstatus,keytechnologies,andfuturedevelopmenttrendsoftheIES’soptimization.Inthispaper,wefirstlyfocusontheimprovementofenergyefficiencyaftermulti-typeenergycoupling,andsystematicallyexpoundthearchitectureandcharacteristicsofzero-carbonpark-levelintegratedenergysystem.Furthermore,startingfromthedeductionoftheimplementationpathsofthezero-carbonparks,thekeytechnologies,suchasmulti-typeenergystoragetechnology,carboncapturetechnology,multi-energycollaborativeplanninganddesign,demandresponse,energymonitoringandoptimalschedulinginvolvedintheoptimaloperationofthezero-carbonpark-levelintegratedenergysystem,aresummarizedandanalyzed.Finally,withthemaingoalofachievingzerocarbon,thecoreproblemsfacedbytheoptimaloperationofzerocarbonparksareanalyzedfromtheaspectsofall-roundintegrationofzerocarbonconceptandthecomprehensiveexplorationofcarbonabsorption/carbonemissions.Thedevelopmenttrendofzerocarbonparksispointedoutfromthedirectionofdigitization,theintegrationofsocialandenvironmentalfactorsandtheglobalcomprehensiveenergy. KEYWORDS:zerocarbonpark;integratedenergysystem;carbonneutrality;optimaloperation 摘要：双碳背景下，零碳园区级综合能源系统(integratedenergysystem，IES)成为我国节能降碳、提质增效政策的重 基金项目：国家自然科学基金项目(No.52277118)；科技创新2030 “新一代人工智能”重大项目(2022ZD0116900)。 ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.52277118);NationalKeyR&DProgramofChina(2022ZD0116900). 点。然而，园区级综合能源系统具有源-网-荷-储一体化、多能互补、供需方动态博弈等特点，其优化运行技术面临强不确定性和耦合机理不明等诸多挑战。为此，对零碳园区级IES优化运行的研究现状、关键技术与未来发展趋势等方面进行综述至关重要。该文首先聚焦于多类型能源耦合能效提升，系统阐述了零碳园区级综合能源系统架构；进一步，从零碳园区实施路径入手，对零碳园区级综合能源系统优化运行所涉及的多类型储能技术、碳捕集技术、多能协同规划设计、需求响应、能源监测与优化调度等关键技术进行了归纳分析；最后以实现园区零碳为主要目标，从全方位融入零碳理念、综合探索碳吸收/碳排放等方面分析零碳园区优化运行所面临的核心问题，并从数字化、社会环境因素一体化、全域综合能源化等方向指明零碳园区的发展趋势。 关键词：零碳园区；综合能源系统；碳中和；优化运行 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2023.0993 0引言 产业园区是城市发展的基础单元之一，也是我国推进新型城镇化、实施制造战略最重要的空间载体，对经济发展功不可没；然而在我国仅国家和省级园区的二氧化碳排放量就占到全国1/3左右。因此，在“双碳”政策背景下，全国各类园区向零碳发展是落实“双碳”政策的重要举措。但是，产业园区在向零碳发展中遇到了以下问题：1）技术集成难度高。零碳园区内不同企业的生产工艺和能源消耗方式不尽相同，因此，整合各种技术以达到更优的节能减排效果存在难度。2）储能和供能平衡难度大。当下储能技术的成本较高，储能效率也有限，如何在保证储能配置经济性的同时，满足用能需求，是一个难点。利用能源互联网[1]、氢能、大型存储等新型储能-供能技术，并进行有效的能源管理和优化，是实现产业园区向零碳发展的重要技术手段。3）运营管理难度大。产业园区内的能源使用情况较难进行实时监测和控制，使能源高效利用和低碳排放的实现难度更大。迫切需要新型智能化 监测和控制技术，如物联网技术、大数据技术等，对产业园区内的能源使用情况进行精细管理和控制。 综合能源系统(integratedenergysystem，IES)是一种新型能源供应/管理技术，它具有源网荷储一体化、多能互补、供需协调等特点[2]。同时，可充分利用各种能源子系统在时间和空间上的耦合特性，促进可再生能源消纳、减少区域内化石能源用量、降低温室气体排放强度，实现绿色低碳发展[3]。这些特点为零碳园区的实现提供了可能性。一方面，IES可为零碳园区提供清洁、高效、可靠的能源供应和能源管理服务，帮助零碳园区实现低碳、安全的能源利用和环境保护目标[4]。另一方面，零碳园区的建设也为IES的发展提供了广阔的应用场景和实验平台，可促进IES的技术创新和优化，推动清洁能源和节能减排等领域的发展和应用。 零碳园区的IES运行优化正在成为研究热点。目前其研究集中在模型、算法和机制3个层面[5]。正确的模型是IES运行优化的前提。文献[6]针对电 -气互联IES，利用电转气技术的能量转换和时空平移特性提出一种削峰填谷模型，用于平抑净负荷波动并提高系统风电消纳能力；文献[7]提出了一种基于调度模型的动态时间间隔的双层优化调度方法，实现了对电、冷、热、气等能源以不同的调度时间间隔进行优化调度的目的；文献[8]为实现园区IES供需双侧协调优化运行，建立了精细化的综合需求响应模型，综合考虑了冷-热-电需求耦合响应特性，实现了系统经济性的提升。 高效率的求解算法是IES优化运行的关键。文献[9]针对电-气-冷-热耦合的综合园区给出一种供需互动的园区IES日前优化方法。该方法考虑的能源侧较为全面，可用来评估园区的经济效益及在低碳运行模式下的减排能力。针对园区IES氢储能优化。文献[10]提出基于合作博弈的多园区共享氢储能容量规划算法与投资成本分摊方法，博弈互动为包含各园区内部的新能源发电量、负荷需求等信息的策略式博弈，以实现氢储能的容量和能量共享。该算法可在降低投资的同时减少碳排放成本。 合适的运行机制是IES低碳运行的重要条件。文献[11]在考虑园区IES的低碳性以及建设时序基础上，提出了一种基于阶梯碳交易机制的园区IES多阶段规划方法，以决策各个规划阶段的最优设备配置。阶梯碳交易机制是指根据碳交易量设定不同价格的机制，与单一机制相比，对IES的碳排抑制能力更强[12]。文献[13]为解决园区能源利用率低、 能源结构不合理、峰谷功率差距大、环境污染严重的问题，提出一种基于能源阶梯式利用的IES能源管理机制。该机制能更灵活地安排高中低档能量，提供更经济的调度方案。该机制本质还是对能量进行梯级利用。 IES对园区是否能够实现零碳闭环具有重要影响。然而，我国园区现存总量大、种类复杂，尽管IES在实现零碳闭环方面扮演着重要角色，但其前景仍存在一定程度的不确定性。此外，由于IES涉及如气、风、光、电、氢等多种能源耦合，规划、运行与管理也相较于单一能源系统更加困难，现有条件难以满足其对零碳园区的应用需求，并且还涉及到可再生能源入网、不同能源间的协同、能源与交通系统/基础设施的交互影响以及建筑能效提升等诸多方面。因此，为顺应我国能源需求和促进零碳园区的发展，本文从IES的现状出发，分析其关键技术和发展趋势，以期为零碳园区级IES的建设提供参考。章节内容如下：第1节介绍了IES内涵架构和其优化运行机制、模型、与零碳园区融合发展等的研究现状。第2节分析了能源系统运行、调度、监测等方面的关键技术。第3节讨论了零碳园区级IES发展的前景和面临的挑战。第4节对本文进行了总结。 1IES内涵架构及优化运行研究现状 零碳园区在我国的研究处于起步阶段，将IES应用到零碳园区的研究也并不多见。为推进零碳园区的优化运行，本节首先介绍了IES架构，然后总结了现有的零碳园区研究成果，最后从互动发展、融合特点、供需博弈3个方面总结零碳园区的发展现状。 1.1IES的内涵架构 IES通常与可再生能源结合使用，以实现多能互补和梯级利用，减少污染物的排放。该模式在许多国家已经被广泛应用[14]。 工业园区对可再生能源的利用包含采集、生产、转换、存储4个步骤，工业园区首先采集天然气、太阳能、地热和风能等可再生能源[15]，然后利用燃气轮机/锅炉或光伏板等能源生产设备进行生产[16]。再用能量转换装置(包括热泵、电冷却器和吸收式冷水机等)将自然能转换为可用能量。剩余能量利用包括电池和氢罐[13]等储能装置存储。 工业园区可以利用IES生产-传输-使用可再生能源，但此过程中会产生一定碳排放，为了满足碳交易配额的要求，颜宁等[17]提出了包含“能量层-碳流层-管理层”的IES运行框架(图1)。其中，“能 量层”保证系统内能量平衡，“碳流层”约束碳排放，“管理层”为低碳经济运行进行优化能源调