面向零碳园区的综合能源系统优化运行技术综述（15页）

微信扫码，打开到小程序

第 48 卷 第 5 期 电 网 技 术 Vol. 48 No. 5 2024 年 5 月 Power System Technology May 2024 文章编号：1000-3673（2024）05-1821-15 中图分类号：TM 721 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） Overview of Integrated Energy System Optimal Operation Technology for Zero-carbon Parks GE Leijiao, LI Jingjing, LI Changlu, LIU Hangxu (School of Electrical and Information Engineering, Tianjin University, Nankai District, Tianjin 300072, China) 1ABSTRACT: The integrated energy system (IES) of zero carbon park under the dual-carbon goal has become the focus of energy-saving and carbon-reduction policies in China. However, with the characteristics of source-network-load- storage integration, multi-energy complementarity, and dynamic games, the park-level integrated energy system has the strong uncertainty and unknown coupling mechanism in its optimization technology. It is a promising solution to summarize the research status, key technologies, and future development trends of the IES’s optimization. In this paper, we firstly focus on the improvement of energy efficiency after multi-type energy coupling, and systematically expound the architecture and characteristics of zero-carbon park-level integrated energy system. Furthermore, starting from the deduction of the implementation paths of the zero-carbon parks, the key technologies, such as multi-type energy storage technology, carbon capture technology, multi-energy collaborative planning and design, demand response, energy monitoring and optimal scheduling involved in the optimal operation of the zero-carbon park-level integrated energy system, are summarized and analyzed. Finally, with the main goal of achieving zero carbon, the core problems faced by the optimal operation of zero carbon parks are analyzed from the aspects of all-round integration of zero carbon concept and the comprehensive exploration of carbon absorption / carbon emissions. The development trend of zero carbon parks is pointed out from the direction of digitization, the integration of social and environmental factors and the global comprehensive energy. KEY WORDS: zero carbon park; integrated energy system; carbon neutrality; optimal operation 摘要：双碳背景下，零碳园区级综合能源系统(integrated energy system，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)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (No.52277118); National Key R&D Program of China (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 1822 葛磊蛟等：面向零碳园区的综合能源系统优化运行技术综述 Vol. 48 No. 5 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(integrated energy system，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。 1 IES 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。 1.1 IES 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 第 48 卷 第 5 期 电 网 技 术 1823 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度。 具体而言，能量层根据系统内部多能耦合关 系，通过能量平衡约束和经济目标引导等模型，确 定能量调度策略可行空间[18]；碳流层则通过对系统 中的碳排放量进行约束和监测，确保碳排放量不超 过预设标准，从而满足碳交易配额的要求。管理层 作为 IES 调度控制中心，管理系统碳排放与能量生 产。可以根据能源市场和碳交易市场的需求，制定 合理的调度策略，以达到低碳、高效的目标。 通过以上方法，工业园区利用 IES 生产-传输- 使用可再生能源的过程可以实现能量层-碳流层-管 理层之间的实时调度，进而实现低碳、经济运行的 目标[19]。IES 架构如图 1 所示。 管道 光伏/风 力发电站 传输网络 电负荷 气网 气负荷 电网 热网 氢 天然气 供能 节点 公共能源网络 园区内部能源网络 能 量 层 管 理 层 电解槽 燃料电池 循环泵 氢负荷 电负荷 气负荷 热负荷 气罐 电转气 (CH4) 热电联 产机组 碳捕集 燃气锅炉 冷热电联产机组 电制冷 冷负荷 冷 能源需求与调度 能源系统运行 能源系统监测与优化 碳排放约束 经济成本约束 零碳 负荷需求 碳 流 层 储氢罐 碳负荷 气网碳流 热网碳流 电网碳流 CO2 热负荷 热源 气源 图 1 综合能源系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram of integrated energy system 优化运行 IES 主要是对图 1 中的能量层进行能 源流动控制，因此优化能量层中的关键技术至关重 要。经典的 IES 能量层大体可分为 4 类(供应侧、转 化侧、输送侧和用户侧[20])。其中供应侧的关键技 术包括可再生能源发电和分布式发电；转化侧包括 梯级利用、电转气及冷热电三联供技术；输送侧主 要有天然气液化及交直流混合控制技术；用户侧包 括需求响应和负荷预测。 1.2 零碳园区级 IES 优化运行原理 1.2.1 优化运行机制设计及技术创新 工业园区将经历从低碳到零碳的发展过程，在 低碳阶段，大多数研究侧重于规范人类行为以减少 碳排放，在零碳阶段，政策主导的机制设计和技术 创新成为热点[21]。所谓零碳，并不意味着完全没有 碳排放，而是通过碳中和，建立碳排放、碳核算、 碳管理、零碳闭环的整体系统，使园区内 CO2 排放 接近零[22]。园区可以采取多种技术或机制减少、补 偿和中和 CO2。如利用能源效率项目减少碳排放， 利用抵消项目组织外部减少碳排放以补偿 CO2；利 用先进技术(如碳捕获和储存[23])从大气中去除或储 存碳以中和 CO2。 零碳园区级 IES 机制设计如表 1 所示。其中， 碳足迹机制和季节性碳交易机制属于减少 CO2 策 略。前者是通过碳足迹机制来减少个人或组织的碳 排放，从而降低碳足迹，具体措施包括制定碳排放 标准、监测碳排放情况、制定减排计划等。后者侧 重点在于制定碳交易规则、建立碳交易平台、制定 碳交易价格；而绿电运行机制与多类型能源市场价 格传导机制偏向于补偿 CO2 策略。前者通过减少化 石能源的使用，降低碳排放，具体措施包括制定绿 电配额、优惠政策、电力市场化改革等。后者则是 通过价格传导机制优化 IES 运行，包括制定多类型 能源市场机制、优化能源系统运行策略。 零碳园区级 IES 技术战略创新如表 2 所示，为 表 1 零碳园区级 IES 机制设计 Table 1 Mechanism design of zero-carbon park-level IES 机制特点 文献 机制设计 运行目标 CO2 削减 [24] 碳足迹机制 灵活性最小化 自身碳足迹 [11] 季节性碳交易 机制 碳交易费用的 全寿命周期成本最小 补偿 CO2 [25] 绿电运行机制 促进新能源消纳 [26] 多类型能源市场 价格传导机制 提高 IES 运行可靠性并 降低运行成本 1824 葛磊蛟等：面向零碳园区的综合能源系统优化运行技术综述 Vol. 48 No. 5 表 2 零碳园区级 IES 技术战略创新 Table 2 Zero-carbon park-level IES technology strategic innovation 文献 技术创新 使用方法 目标约束 [27] 氢储能作为能量 转换枢纽 建立了氢储能多能联 储联供模型 投资运行成本以 及碳排放最低 [28] 建立冷热流供需 数据库 对一工业园区碳排放 数据分析 园区内部 碳中和 [29] 建立工业园区碳 中和系统框架 通过建立工业共生 激发碳汇潜力 低碳、弹性及生态 可持续性最优 [30] 实施循环经济 混合整数 线性规划 资源消耗最小化、 材料再利用 最大化 [31] 考虑能源贫困 结合案例进行 数据分析 符合《巴黎协定》 和《2030 年议程》 的可持续 发展目标 提升 IES 的 CO2 减排能力，部分研究从优化规划、 能源结构清洁化、资源循环利用等方向对 IES 进行 了技术战略创新。IES 优化运行的目标约束有投资 运行成本、碳排放、资源消耗和相关政策等。在此 约束下对 IES 进行建模求解，可以获得最优策略。 相关政策方面，国外没有零碳园区的概念，更