劉慶權 萬智赟 王曉然

（廣東順德電力設計院有限公司，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)劃關鍵技術與發(fā)展趨勢尚未明確。為實現雙碳戰(zhàn)略目標，提升零碳園區(qū)發(fā)展質量，需要對其關鍵技術進行歸納[1]。

1 零碳園區(qū)的內涵

零碳園區(qū)是能源互聯網與雙碳戰(zhàn)略目標發(fā)展背景下提出的新概念，主要強調園區(qū)內產業(yè)發(fā)展、建筑設計、交通運輸的經濟性和低碳性，是實現雙碳目標的重要環(huán)節(jié)。面向能源互聯網的零碳園區(qū)主要是運用數字化手段對節(jié)能減排措施進行整合，并通過智慧化系統(tǒng)進行管理，從而實現園區(qū)低碳化發(fā)展。通過能源、產業(yè)、生態(tài)等多領域的技術集成與管理，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，基于多能轉換、多能互補、多網融合實現能源網絡的協(xié)同發(fā)展。

2 面向能源互聯網的零碳園區(qū)優(yōu)化規(guī)劃關鍵技術

2.1 多能互補與集成優(yōu)化

零碳園區(qū)將用戶側需求作為規(guī)劃導向，將生產、轉化等設備及需要使用的電力、天然氣能源連接在一起，從而實現多能互補、集成優(yōu)化。其中，多能互補并不是零碳園區(qū)誕生后出現的新興概念，已長期應用于能源領域規(guī)劃設計，能源系統(tǒng)每進行一次轉化，都會出現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)的出現使多能互補、集成優(yōu)化再次成為能源規(guī)劃領域的研究重點。目前，我國對該關鍵技術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)劃設計的重要基礎，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，盡管利用能源互聯網能夠將冷、熱、電、氣等能源設備銜接在一起，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)展產生負面影響[3]。例如，熱能系統(tǒng)出現故障后，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)化的關鍵技術外，還要對能源網荷之間的相互影響進行思考。

2.2 負載管理與優(yōu)化技術

零碳園區(qū)的發(fā)展需要相關設備持續(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，許多園區(qū)增加了備用冗余設備?；谀茉椿ヂ摼W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)的經濟效益和環(huán)境效益[4]。零碳園區(qū)內的不同設備工作負載，可以利用智能算法進行資源配置，優(yōu)化服務器的啟停，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)化技術的角度看，如果僅僅注重零碳園區(qū)負荷調節(jié)能力的提升，將不利于發(fā)揮園區(qū)的運營潛能。因此，在實現這一關鍵技術時，必須充分考慮園區(qū)工業(yè)、商業(yè)等其他類型的負荷調節(jié)。例如，以調度中心為基礎的集中激勵需求端響應和以能源價格為基礎的需求端響應，充分考慮了能量消納的不確定性，能夠為園區(qū)內能源調控能力的提升奠定基礎。

2.3 多能流調度規(guī)劃技術

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)是實現零碳園區(qū)能源協(xié)調發(fā)展的重點。現階段，國內外對多能流調度規(guī)劃技術的研究較多，其研究范圍主要是多能流調度技術的經濟性和環(huán)保性，部分學者還對能源設備調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、傳輸等多個環(huán)節(jié)均有所分布。因此，在零碳園區(qū)的規(guī)劃設計中，對不確定因素的處理技術進行深入探討也是十分有必要的?，F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)劃調度階段的能量需求特征。

多能流調度技術是一種以余熱回收、負荷管理為基礎的技術種類。對PEI-DC 的科學調度方法進行研究，要對零碳園區(qū)的業(yè)務需求進行考量，據此建立轉換模型，從而實現數據處理業(yè)務與能源需求特性的強關聯性，提升設備運行的穩(wěn)定性、環(huán)保性。

2.4 能源與交通耦合技術

交通部門是零碳園區(qū)內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、天然氣汽車技術的出現使園區(qū)內交通系統(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，面向能源互聯網的能源—交通耦合技術，有助于能源與交通系統(tǒng)的結構優(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-交通耦合技術能夠對交通用能的時空分布進行靈活調整，有助于零碳園區(qū)內用戶體驗感的提升。

3 面向能源互聯網的零碳園區(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用于基于博弈論的能源共享模型搭建及能源共享等領域。零碳園區(qū)將能源共享作為發(fā)展核心，不斷應用、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)化設計方案的全局性與層次性，即確保該方案的實施能夠實現能源的全局共享，且保證多類型能源設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網的物理邏輯相吻合，基于能源共享理論的零碳園區(qū)發(fā)展規(guī)劃能夠將能源生產、傳輸、消費等各個環(huán)節(jié)串聯在一起，生成全產業(yè)鏈，并在全生命周期內進行能源共享，這與零碳園區(qū)的未來發(fā)展方向是高度一致的。其次，隨著信息技術的不斷進步，零碳園區(qū)中無線專網、光纖專網等物聯網技術的使用愈發(fā)普及，并且這些物聯網技術將成為促進多種網絡交叉融合的重要載體，零碳園區(qū)中能源主體的產消邊界模糊性更強，供與需的身份也在不斷變化。

3.2 基于數字孿生的零碳園區(qū)發(fā)展

數字孿生技術，即數字鏡像，是一種基于現實空間映射虛擬數字空間，且能夠對物理系統(tǒng)狀態(tài)及變化進行實時模擬的技術種類。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?；谀茉椿ヂ摼W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，還能夠與其他領域進行信息交互。基于數字孿生的零碳園區(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)內的空間結構進行優(yōu)化。模塊化思想是數字孿生技術的主要思想，有助于零碳園區(qū)發(fā)展規(guī)劃相關信息的收集，降低零碳園區(qū)系統(tǒng)規(guī)劃的難度。在數字孿生技術的支持下，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)劃設計更加豐富的實踐內涵，探索零碳園區(qū)規(guī)劃設計的更多可能性。

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)電設備較多，如分布式光伏、風力渦輪機等。這些設備發(fā)生的電能隨機性較強，且會產生較大波動，儲能技術能夠將多余的可再生電能吸收，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，對儲能技術的廣泛推廣與應用起到了限制作用?；诖耍覈鴮W者提出了利用云端進行儲能的發(fā)展概念，將用戶側的存儲設備整合到云端，并以虛擬存儲代替實物存儲，云儲能供應商可通過通信系統(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，考慮構建云儲能系統(tǒng)租賃成本模型，據此對云儲能租賃成本與租賃容量等因素進行分析。有關研究顯示，能源互聯網背景下，云儲能技術的應用能夠更好地維持能源供應商與消費者之間的平衡關系。從成本方面考慮，基于云儲能技術的供應商投資成本能夠得到控制。此外，面向能源互聯網的實體儲能，其總量與云儲能用戶的需求相比較小，云儲能系統(tǒng)供應商的投資成本進一步降低[6]。

3.4 多園區(qū)能源互聯網協(xié)同的發(fā)展

隨著數字化進程的持續(xù)推進以及國家新基建政策的支持，以能源互聯網為核心的零碳園區(qū)愈發(fā)多樣，從而逐漸形成多園區(qū)能源互聯、信息互通的局面。隨著電力系統(tǒng)的改革和能源結構的轉變，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PEI-DC 主體可以結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)同關系，一定程度上對園區(qū)運行的穩(wěn)定性產生影響。目前，國內已經以能源價格為基礎對零碳園區(qū)開發(fā)進行了相關研究，但是關于零碳園區(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，通過網絡技術實現運算業(yè)務向數據中心的轉移，為空間維度負荷轉移的實現奠定基礎[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，從而實現園區(qū)的高效運行。

4 結語

面向能源互聯網對零碳園區(qū)優(yōu)化規(guī)劃工作進行思考是實現雙碳戰(zhàn)略目標的關鍵。目前，國內外許多學者已經對零碳園區(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，面向能源互聯網的零碳園區(qū)規(guī)劃技術種類多樣，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)耦合等多種關鍵技術。值得注意的是，盡管技術種類多樣，但零碳園區(qū)電力能源供應仍然具有較大的不確定性，現有的技術種類難以充分滿足零碳園區(qū)的應用需求。因此，需要結合零碳園區(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。