王謙，王斌，劉翔

(1.上海電氣工程設計有限公司，上海 201199；2.浙江大學 能源工程學院，浙江 杭州 310027)

綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)集電、熱、冷、汽、可再生能源等多種能源于一體，有助于提高能源利用效率[1].IES 是能源生產(chǎn)和消費革命大背景下，積極應對國際國內(nèi)能源、經(jīng)濟和環(huán)境三難困境的有效手段，必將成為未來我國能源基礎設施的主要承載形式[2-3].隨著多種能源耦合加深、風光出力的波動性以及能源需求側的不確定性加重，IES 優(yōu)化運行面臨巨大挑戰(zhàn)[3].IES 的經(jīng)濟調(diào)度和優(yōu)化操作已經(jīng)成為近年來能源高效低排放利用方面最重要的任務之一，也是研究活動關注的焦點問題[4-5].

徐達等[6]構建含電、冷、熱3 種儲能裝置和熱泵的微網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度模型，討論熱泵和儲能裝置對提高微網(wǎng)經(jīng)濟性和靈活性的作用.李紅偉等[7]基于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、儲熱、蓄電裝置以及電鍋爐等組成的IES，綜合考慮需求側負荷不確定因素，對IES 進行優(yōu)化，將系統(tǒng)中可再生能源出力以及電熱負荷用模糊參數(shù)表示，構建基于可信性理論的模糊機會約束配置優(yōu)化調(diào)度模型.鄭海雁等[8]提出含儲能裝置的園區(qū)型IES 的三級協(xié)同配置方法，將設計過程劃分為設備選型、容量配置與運行優(yōu)化3 個階段，采用系統(tǒng)級的建模方法對各項約束進行總結和提煉，從而形成結構簡潔、約束緊湊的綜合能源系統(tǒng)配置模型.李柳松等[9]基于多功能園區(qū)差異性以及不同園區(qū)冷熱電負荷的特性提出全新的IES 模型.易文飛等[3,5]從環(huán)保和經(jīng)濟2 個方面考慮了IES 的配置手段，提出未來碳排放指標將成為約束能源發(fā)展的主要因素.楊宏基等[10]指出2021 年我國已經(jīng)開始實施配額制下的綠色電力證書交易，其實際意義是進一步明確碳排放量對于工業(yè)型企業(yè)的重要性.

綜上所述，現(xiàn)有研究成果中，對綜合能源系統(tǒng)的研究主要集中在電、熱、冷負荷，對大型工業(yè)園區(qū)內(nèi)電、熱、冷、汽4 種負荷并耦合IES 以打造零碳交易工業(yè)園區(qū)（簡稱零碳園區(qū)）的研究較少.因此，本研究以長三角某地域大型工業(yè)園區(qū)作為研究對象，結合實際自然資源，形成以光伏、風電為可再生能源系統(tǒng)，熔鹽、固體蓄熱、電極鍋爐及蓄電池等設備為儲能系統(tǒng)的IES，同時考慮需求側負荷的不確定性因素及碳交易成本，以系統(tǒng)經(jīng)濟最優(yōu)化作為目標，建立零碳園區(qū)IES 配置和經(jīng)濟調(diào)度模型.通過0-1 型整數(shù)規(guī)劃求解，最終確定最適合該工業(yè)園區(qū)的IES 運行方案及對應子系統(tǒng)的規(guī)模.

1 園區(qū)概況

1.1 園區(qū)自然資源

根據(jù)園區(qū)所在地區(qū)典型氣象年數(shù)據(jù)，由《太陽能資源評估方法》（GB/T 37526—2019）[11]對該地的太陽能資源進行評估.

如圖1 所示為園區(qū)所在地區(qū)典型氣象年全年太陽能輻射量.圖中，Q為太陽輻射強度，t為全年時間.年太陽總輻射量為1 209 kW·h/m2，屬于資源較貧乏地區(qū).月平均太陽總輻射量在4～9 月份相對較高.

圖1 園區(qū)所在地區(qū)全年太陽輻射量圖Fig.1 Annual solar radiation map of area where park located

園區(qū)所在地區(qū)典型氣象年的全年日照時長分布如圖2 所示.圖中，Sa、Sp 分別為天文日照時數(shù)和實際日照時數(shù)，均為月平均日照時數(shù).可以看出，園區(qū)所在地區(qū)各月的太陽直接輻照度達到或超過120 W/m2的每日小時數(shù)大于4，天文日照時數(shù)均大于10，日照率均大于30%，最高在8 月可達到70% 以上.因此，該地區(qū)的太陽能利用價值中等，其中4～9 月的利用價值相對較高.綜合以上分析可得，該地區(qū)太陽能資源在4～9 月份較為充足，適宜布置光伏發(fā)電系統(tǒng)[12-13].

圖2 園區(qū)所在地區(qū)全年日照時數(shù)Fig.2 Annual sunshine hours in area where park located

根據(jù)園區(qū)所在地區(qū)典型氣象年數(shù)據(jù)，參考《分布式風力發(fā)電系統(tǒng)原理與設計》[14]對該地的風能資源進行評估.如圖3 所示為園區(qū)所在地區(qū)全年風速.圖中，v為風速.由于位于沿海地區(qū)，該地區(qū)距離地面10 m 處的年平均風速超過4.3 m/s，在風力資源上有著先天優(yōu)勢，屬于風力資源較豐富地區(qū).

圖3 園區(qū)所在地區(qū)全年風速圖Fig.3 Annual wind speed in area where park located

考慮到風速與負荷具有隨機性和波動性，且負荷波動狀況與用戶的行為習慣關聯(lián)較大，本研究采用典型日24 h 的風速曲線來近似模擬風電機組1 d 的運行參數(shù).園區(qū)典型日24 h 風速變化如圖4 所示.圖中，td為日時間.平均風速約為5.3 m/s，屬于低風速區(qū)域的優(yōu)質風資源，風電機組的相應年平均滿發(fā)小時數(shù)在2 700～3 200 h，適宜布置分布式風電機組[12].

圖4 園區(qū)典型日24 h 風速圖Fig.4 24 h wind speed map for typical days in park

1.2 園區(qū)基本負荷

所選擇的案例為東南沿海地區(qū)某綜合性工業(yè)園區(qū)，主要包括冷、熱、電、蒸汽負荷4 種形式.工業(yè)園區(qū)內(nèi)在不同時間、空間上對冷、熱、電、蒸汽等多種能源有不同程度的需求，園區(qū)的基本負荷情況如圖5 所示.圖中，Pn1、Pn2、Pn3分別為工業(yè)園區(qū)所需的電、熱、冷負荷的實時功率，Ms為工業(yè)園區(qū)所需的蒸汽的實時質量負荷.品類豐富的能源生產(chǎn)、轉換和儲存設備使得工業(yè)園區(qū)有大量的用能策略可以選擇.所研究的用能方案以經(jīng)濟性為導向，并綜合考慮碳交易、需求響應政策這些外部因素.

圖5 工業(yè)園區(qū)基本負荷情況Fig.5 Base load of industrial park

2 綜合能源物理系統(tǒng)模型

通過上述太陽能及風力資源的分析，可以看出該園區(qū)可以構建以太陽能光伏發(fā)電及風電為基礎的可再生能源利用系統(tǒng).同時，為了配合園區(qū)能源負荷的波動性，具體的IES 可結合多種儲能系統(tǒng)，如相變蓄熱、固體蓄熱及蓄電池等.通過耦合可再生能源及儲能系統(tǒng)形成的工業(yè)園區(qū)IES，在滿足園區(qū)的日常電力、冷暖供應及蒸汽需求的同時，進一步實踐雙碳戰(zhàn)略.

所研究的綜合能源系統(tǒng)包含電、熱、冷、汽4 種能源形式，系統(tǒng)結構如圖6 所示，由自動控制單元、可再生分布式能源系統(tǒng)、電熱儲能設備以及電、熱、冷、汽負荷組成.

圖6 電、熱、冷、汽四聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)圖Fig.6 Integrated energy system diagram of electricity,heat,cooling and steam combined supply

可再生分布式能源包括分散式風力發(fā)電機組和屋頂光伏發(fā)電機組，分別利用風能和太陽能發(fā)電供IES 消納，電網(wǎng)的谷電被存儲至儲能系統(tǒng)內(nèi)部.根據(jù)園區(qū)負荷種類，儲能系統(tǒng)共分為3 部分，分別是固體及熔鹽蓄熱，主要提供園區(qū)蒸汽負荷；蓄電池儲能，主要補償峰電時期園區(qū)電負荷及部分冷負荷；電極鍋爐及熱泵儲能，主要提供園區(qū)熱水負荷.此外，電能在系統(tǒng)與大電網(wǎng)之間雙向交互，園區(qū)的余電可以上網(wǎng)，當園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)不能滿足園區(qū)負荷時，系統(tǒng)可以從電網(wǎng)購電來滿足園區(qū)的使用需要.

2.1 可再生能源系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)采用簡化的屋頂光伏模型，光伏的實際功率表達式如下：

式中：PPV(t)為t時刻光伏的實際功率；nMOD為光伏板的數(shù)量；AMOD為每個光伏板的有效面積；E為總輻射照度；ηPV為光伏板的實際效率；ηINV為逆變器效率；fPV為降額系數(shù)，例如污物、陰影、設備老化以及線路損失所導致的降額.

分散式風電系統(tǒng)的模型大致可以簡化為

式中：Pw(t)為風電機組的實際功率，Pn(t)為風電機組的設計功率，ξloss為風電機組的降額系數(shù)，Kw為風電機組的風速修正系數(shù).可再生能源系統(tǒng)綜合成本（投資成本和運維成本之和）表達式如下：

式中：F為單位投資成本，P為裝機功率，r為資金回收系數(shù)，下標PV 表示光伏，w 表示分散式風電；Cre_om為可再生能源系統(tǒng)的年化運維成本.以光伏設備為例，其資金回收系數(shù)以及年化運維成本表達式如下：

式中：i為貼現(xiàn)率，n為光伏設備的使用年限，cj為光伏設備j單位出力運行維護成本系數(shù)，Pj(t)為光伏設備t時刻的輸出功率，N為光伏設備總數(shù).基于式（4）、（5）可以得到不同規(guī)模設備的資金回收系數(shù)及年化運維成本.

2.2 儲能系統(tǒng)

2.2.1 固體及熔鹽儲能模型-蒸汽負荷 該套系統(tǒng)主要用于提供園區(qū)所需蒸汽負荷，將IES 中多余的電能以熱能的形式儲存在熱介質中，并實時向蒸汽負荷提供所需不同品位蒸汽.系統(tǒng)示意圖如圖6 所示，該部分需配備電加熱器用以電制熱，蒸汽發(fā)生器用以熱制汽.目前常用的固體儲熱材料分別是礦渣和鎂磚.由于成本原因，熔鹽儲熱同樣具備競爭性.為了根據(jù)園區(qū)負荷選擇合適的儲熱方式，引入0-1 整數(shù)規(guī)劃，根據(jù)最終約束確定合適的儲熱方式.0-1 規(guī)劃是特殊形式的整數(shù)規(guī)劃，這種規(guī)劃的決策變量僅取值0 或1.在實際決策問題中，通過引入0-1 變量，可以把有各種情況需要分別討論的數(shù)學規(guī)劃問題統(tǒng)一在一個問題中加以討論.針對多種儲熱方式，通過各種約束條件確定不同儲熱介質前系數(shù)為0 或1，0 代表不選取，1 代表選取.3 種儲熱方式的0-1 規(guī)劃數(shù)學模型表達式如下：

式中：Pg(t)為不同時刻產(chǎn)生蒸汽負荷；α 為系數(shù)，取0 或1；Peg(t) 為不同時刻輸入電功率，其中eg 表示由電制蒸汽；η 表示電制蒸汽轉換效率，下標m、k、r 和s 分別表示鎂磚、礦渣、熔鹽及轉換系統(tǒng)，比如ηm、ηm,s分別表示電加熱鎂磚的能量轉換效率和鎂磚到蒸汽的系統(tǒng)轉換效率.可以看出，式（6）在式（7）的約束下，僅存在一種儲熱介質滿足條件.同理，該系統(tǒng)的綜合成本可以計算為

式中：Ceg為固體及熔鹽儲能所需綜合成本，F(xiàn)i_eg表示投資成本，Pi_eg為不同儲熱方式對應投入的功率規(guī)模，ri_eg為資金回收系數(shù)，Ci_eg_om表示為不同儲熱方式的年化運維成本.

2.2.2 電極鍋爐及熱泵儲能模型-熱負荷 電極鍋爐和熱泵均是典型的電熱耦合設備，在分時電價的作用下協(xié)調(diào)供熱，兩者基礎的電熱轉化模型以及引入0-1 規(guī)劃后的控制方程分別如下：

式中：Peh(t) 為t時刻系統(tǒng)產(chǎn)生的熱負荷功率；P(t) 為t時刻供給電能，η 為電制熱效率，下標1 表示電極鍋爐，2 表示熱泵.該系統(tǒng)的綜合成本可以計算為

式中：Fi_ew為電極鍋爐或熱泵的投資成本，Pi_ew為熱負荷儲熱規(guī)模，ri_ew為資金回收系數(shù)，C2.i2_e.w3_om蓄 為電電池極儲鍋能爐?；蛐蜔?泵的電年負化荷運 維與成前本.2 種儲能方式相比，電池儲能在可擴展性、使用壽命、靈活性等方面具有更多的優(yōu)勢.作為新興的儲能技術，電池儲能的尺寸靈活，這是與其他儲能系統(tǒng)相比的顯著優(yōu)勢.現(xiàn)有應用較多的電池有全釩液流電池、鋰離子電池、鉛碳電池和鈉硫電池，其數(shù)學模型可以表示為

式中：Ei(t)為電池i在t時刻的容量；ψi(t)為電池惡化效率；ui表示電池的自損耗率；Δt為時間間隔；Pi_chr(t)、Pi_dis(t)分別為電池i在t時刻的充、放能功率；ηi_chr、ηi_dis分別為電池i在t時刻的充、放能效率；下標i=1、2、3、4 分別表示全釩液流電池、鋰離子電池、鉛碳電池以及鈉硫電池.為了貼近真實加入電池惡化效率并假定蓄電池效率降低到80% 時須重新更換.電池拆解回收的難度較大，基本上沒有任何價值.按照李中浩等[15]的方法對大規(guī)模儲能電池的壽命以及電池惡化效率進行估算，折舊率以目前通用的貼現(xiàn)率加以描述.根據(jù)0-1 規(guī)劃，最終蓄電池儲能模型可以表達為

式中：λ 為0-1 規(guī)劃系數(shù).

同理，蓄電池的綜合成本可以表達為

式中：Cee為電制熱負荷所需綜合成本，F(xiàn)i_ee為蓄電池的投資成本，Pi_ee為蓄電池的裝機規(guī)模，γi_ee為資金回收系數(shù)，Ci_ee_om為不同蓄電池機組的年運維成本.

2.2.4 電制冷機組模型——冷負荷 電制冷機組消耗電能提供冷能，該部分電能可以通過電網(wǎng)購電或蓄電池供電，其數(shù)學模型可以表示為

式中：Qec(t)和Pec(t)分別為t時刻電制冷機組的制冷功率和耗電功率，ηec,h為電制冷機組的效率，COPec為制冷機組的性能系數(shù).

同理，電制冷機組的綜合成本可以表示為

式中：Cec為電制熱負荷所需綜合成本，F(xiàn)ec為電制冷機組的投資成本，Pec為電制冷機組的裝機規(guī)模，rec為資金回收系數(shù)，Cec_om為電制冷機組的年運維成本.

2.3 碳交易成本系統(tǒng)

隨著雙碳戰(zhàn)略的推進，碳排放量成為零碳工業(yè)園區(qū)的重要指標.本模型中定義的碳排放源主要考慮電網(wǎng)購電、風電、光伏等，根據(jù)文獻中的數(shù)學模型建立碳交易成本系統(tǒng)模型：

式中：CCO2(t) 表示t時刻系統(tǒng)碳排放總量成本；E(t)表示t時刻碳排放總量，u表示碳排放成本系數(shù)，下標e、w、p 分別表示購電、風電和光伏.同理，其他污染物如氮硫化物的排放成本計算與碳排放一樣，這里就不再贅述.

3 優(yōu)化系統(tǒng)的目標函數(shù)

以經(jīng)濟性作為IES 優(yōu)化設計的主導目標，而可靠性則通過后續(xù)約束條件予以體現(xiàn).為此，模型目標函數(shù)設為系統(tǒng)年總費用最小，包括年化投資費、年運維費和外部能源購置費用.表達式如下：

式中：C為綜合能源系統(tǒng)年總費用；Cbuy為該園區(qū)上網(wǎng)交易的電量總費用；cum為容量單價；Pum(i) 為電網(wǎng)合同容量功率；i表示月份，i=1，2，···，12；θ 為超合同量懲罰費用；cu為分時電價；Pu為逐時購電功率.

4 優(yōu)化模型的約束條件

結合0-1 整數(shù)規(guī)劃求解上述成本最優(yōu)方程，考慮現(xiàn)實園區(qū)內(nèi)任意時間段內(nèi)各部分負荷必須同時滿足的基本條件，提出以下6 種系統(tǒng)約束條件，包括電能平衡約束、熱負荷平衡約束、冷負荷平衡約束、蒸汽負荷平衡約束、電網(wǎng)交互功率約束、儲能系統(tǒng)平衡約束.具體模型參數(shù)如下.

4.1 電能平衡約束

式中：Pgrid(t)為t時刻電網(wǎng)供電功率，即園區(qū)和電網(wǎng)之間交互功率，PPV(t)、Pw(t)、PLD(t)、Pchr(t)、Pdis(t)、Pec(t)、Peh(t)分別為光伏功率、風電功率、園區(qū)用電負荷、電化學儲能系統(tǒng)的充電功率、電化學儲能系統(tǒng)的放電功率、電制冷機組功率、供熱設備功率，可在圖7、8 的計算結果中體現(xiàn).

圖7 電能設備優(yōu)化圖（方案2）Fig.7 Power equipment optimization (Scheme 2)

圖8 電能設備優(yōu)化圖（方案3）Fig.8 Power equipment optimization (Scheme 3)

4.2 熱負荷平衡約束

式中：Qeh(t)為電極鍋爐的制熱功率；QH,LD(t)為t時刻工業(yè)園區(qū)熱負荷；Qm(t)為t時刻工業(yè)園區(qū)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)放熱功率，對應圖9、10 的儲熱系統(tǒng)放熱功率.

圖9 熱能設備優(yōu)化圖（方案2）Fig.9 Thermal equipment optimization (Scheme 2)

圖10 熱能設備優(yōu)化圖（方案3）Fig.10 Thermal equipment optimization (Scheme 3)

4.3 冷負荷平衡約束

式中：Qec(t)為電制冷機組的制冷功率，QC,LD(t)為t時刻工業(yè)園的冷負荷.

4.4 蒸汽負荷平衡約束

式中：Pg(t)表示蒸汽發(fā)生系統(tǒng)主要為熔鹽及固體蓄熱系統(tǒng)的制汽功率，DLD(t)為t時刻工業(yè)園區(qū)蒸汽負荷.

4.5 系統(tǒng)與大電網(wǎng)聯(lián)絡線交互功率約束

4.6 儲能系統(tǒng)平衡約束

5 算例分析

5.1 系統(tǒng)基本參數(shù)

如表1～3 所示分別為工業(yè)園區(qū)可再生能源系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、蓄電池儲能系統(tǒng)的參數(shù)表，表中內(nèi)容主要包括各部分機組模型的運行參數(shù)、運行效率以及經(jīng)濟模型中涉及到的機組安裝成本、運維成本、使用年限等參數(shù).表中，Cinv為投資成本，COM為運維成本，Tlife為使用年限，θw為工作溫度，cp為比定壓熱容，λ 為導熱系數(shù)，hs為儲熱密度，Cins為安裝成本，Ce為功率成本，Cycle 為循環(huán)次數(shù)，Cyclea為年循環(huán)次數(shù)，Ec-d為充放效率，rdis為貼現(xiàn)率.此外，制冷機組的系統(tǒng)效率為94%，投資成本為1 000 元/kW，運維成本為0.001 元/(kW·h)，使用年限為20 a.如表4 所示為工業(yè)園區(qū)的分時電價.表中，Pbuy為購電價格，Psal為售電價格，工業(yè)園區(qū)采用的工商業(yè)電價有峰、谷之分.峰時段購電成本為每度0.88 元，售電價為每度0.74 元，谷時段購電成本為每度0.22 元，售電價為每度0.18 元1)注：https://www.bjx.com.cn/.因此，要對系統(tǒng)的運行調(diào)度進行優(yōu)化，應盡可能在谷時段購電，在峰時段售電，這樣既能降低園區(qū)的運行成本，又能緩解大電網(wǎng)的壓力.如表5 所示為碳交易成本中運用到的不同能源鏈的二氧化碳及其他污染物排放系數(shù)Eris及排放成本參數(shù)Cdis.根據(jù)國際能源署預測報告，碳交易成本目前約為252 元/t.

表1 可再生能源系統(tǒng)參數(shù)表Tab.1 Parameter list of renewable energy system

表2 儲熱系統(tǒng)參數(shù)表Tab.2 Parameter list of heat storage system

表3 蓄電池儲能系統(tǒng)參數(shù)表Tab.3 Parameter list of battery energy storage system

表4 園區(qū)所在地分時購/售電價表Tab.4 Table of time-share purchase/sale price for park location

表5 不同能源鏈的二氧化碳及其他污染物排放系數(shù)及成本Tab.5 Emission factors and costs of carbon dioxide and other pollutants for different energy chains

5.2 系統(tǒng)優(yōu)化配置結果

為了驗證設計的IES 對于零碳園區(qū)的經(jīng)濟性和環(huán)保性具有良好的改善，將無IES 定義為方案1，不考慮碳排放成本約束的IES 定義為方案2，考慮碳排放成本約束的IES 定義為方案3.以典型日為計算場景[16]，經(jīng)MATLAB 2021 編程計算含0-1 整數(shù)規(guī)劃的園區(qū)能源配置模型，須強調(diào)的是，為了減輕模型求解難度，各部分配置設備功率均采用100 kW 步長進行搜尋求解.最終得到方案1、2、3 下目標園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)配置方案，如表6 所示.表中，Pr、Qr表示固體熔鹽的充電功率和電量，Pb、Qb表示電池的充電功率和電量，Ps表示蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的功率.可以看出，在無碳排放成本約束時，園區(qū)可再生能源系統(tǒng)分配為光伏1 MW，風電3 MW；儲能系統(tǒng)配置電極鍋爐、熔鹽、鉛碳電池進行儲能，分別為園區(qū)提供熱、汽、電負荷.在含碳排放成本約束時，園區(qū)的可再生能源系統(tǒng)配置并未發(fā)生明顯的變化，說明可再生能源對于碳排放量并無顯著的影響，但熔鹽和蓄電池規(guī)模出現(xiàn)了大幅調(diào)整，說明影響零碳園區(qū)碳排放量的最根本因素是儲能深度及儲能效率這2 部分.當考慮碳排放成本約束時，系統(tǒng)儲能設備應向高效率方向轉移，這也為將來發(fā)展儲能系統(tǒng)指明了方向.

表6 不同方案設備配置表Tab.6 Equipment configuration table for different solutions

各個方案的電能設備實時功率和熱能設備實時功率如圖11、12 所示.在電能設備優(yōu)化圖中，電功率為正代表工業(yè)園區(qū)得電，主要包括電網(wǎng)購電、分散式風電系統(tǒng)發(fā)電、光伏系統(tǒng)發(fā)電、蓄電池放電.電能為負代表工業(yè)園區(qū)耗電，主要包括園區(qū)用電、儲熱系統(tǒng)中的電加熱設備耗電、蓄電池充電，電鍋爐、空氣源熱泵、電制冷機組耗電以及余電上網(wǎng).可以看出，在每個時刻工業(yè)園區(qū)的得電和耗電之和為零，說明配置的綜合能源系統(tǒng)能夠實時滿足目標園區(qū)的電負荷，具有良好的調(diào)峰性能.同理，熱能設備優(yōu)化圖中熱功率為正代表工業(yè)園區(qū)得熱，主要包括儲熱系統(tǒng)放熱，電極鍋爐、空氣源熱泵的產(chǎn)熱，熱功率為負則代表工業(yè)園區(qū)的用熱.可以看出，各個時刻園區(qū)系統(tǒng)產(chǎn)熱和用熱基本保持一致，說明配置的綜合能源系統(tǒng)能夠滿足園區(qū)的熱負荷，驗證了所建立模型的正確性.

圖11 電能設備優(yōu)化圖（方案4）Fig.11 Power equipment optimization (Scheme 4)

圖12 熱能設備優(yōu)化圖（方案4）Fig.12 Thermal equipment optimization (Scheme 4)

假定系統(tǒng)的壽命為25 a，方案1、2、3 系統(tǒng)優(yōu)化配置整套系統(tǒng)投資成本費用分別為100、5 520、5 830 萬元，每年的設備維護費用分別為1、33、36 萬元.在方案1 中，工業(yè)園區(qū)未安裝可再生能源系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)完全依賴電網(wǎng)購電來滿足工業(yè)園區(qū)內(nèi)的用能要求，系統(tǒng)的總運行成本（投資成本+運維成本+電網(wǎng)交互）為31 512 元/d，其中電網(wǎng)購電成本為31 209 元/d，系統(tǒng)每天產(chǎn)生約24.95 t 的碳排放.方案2 未考慮碳交易成本約束，系統(tǒng)的總運行成本為8 344 元/d，系統(tǒng)采用了2 MW 熔鹽儲熱和2 MW 鉛酸電池儲電系統(tǒng)搭配以最大規(guī)模消納谷電，在峰時段協(xié)同可再生能源系統(tǒng)、制冷機組、電極鍋爐、蒸汽發(fā)生器滿足工業(yè)園區(qū)的用能需求的同時，將余電上網(wǎng)來獲取額外的收益，每天可消納谷電27 739 kW·h，出售余電8 426 kW·h，通過余電上網(wǎng)每天可額外收益6 235 元.由于未考慮碳交易模型，系統(tǒng)大量從電網(wǎng)購電，產(chǎn)生了16.12 t/d 的碳排放，實際碳交易成本高達4 207 元/d.熔鹽儲熱和鉛酸蓄電池均是低成本、低效率的儲能系統(tǒng)，因此每天有大約19 MW·h 的電量在儲能用能以及不同能量形式轉換的過程中被耗散掉了，造成了較大的浪費.

方案3 考慮了碳交易成本的約束，系統(tǒng)采用了1 MW 熔鹽儲熱和800 kW 鋰電池儲電系統(tǒng)搭配，在滿足工業(yè)園區(qū)“削峰填谷”要求的同時綜合考慮了系統(tǒng)的經(jīng)濟性以及系統(tǒng)的碳排放量，故方案3 并沒有最大規(guī)模消納谷電，并且峰時段的部分時刻仍須向電網(wǎng)購電來滿足工業(yè)園區(qū)的用能需求，故方案3 余電上網(wǎng)收益較小，僅為453 元/d.方案3 共計從電網(wǎng)購電5 523 kW·h，較方案2 下降了80.1%，因此系統(tǒng)僅僅產(chǎn)生3.79 t/d 的碳排放，較方案2 下降了76.6%.方案3 使用的熔鹽儲熱系統(tǒng)規(guī)模較小，為方案2 的一半，并且采用了充放效率和成本都更高的鋰電池儲電，因此方案3 在儲能過程中的能量損耗較小，每天僅為6.628 MW·h，為方案2 的35%.如表7 所示為系統(tǒng)經(jīng)濟性估算.表中，Trc為總運行成本，Oc為實際碳排放質量，Ctc為碳交易成本，Ope為其他污染物排放質量（主要是SO2和NOx排放），Cpe為其他污染物排放成本，Ceg為從電網(wǎng)購電成本，F(xiàn)tr為余電上網(wǎng)收益.

表7 系統(tǒng)經(jīng)濟性估算Tab.7 Estimation of system economy

由表7 可以看出，在加入綜合能源系統(tǒng)后，園區(qū)的總運行成本大幅下降，這主要得益于深度的儲能系統(tǒng)將彌補園區(qū)峰電時期的高購電成本.在加入更嚴格的碳排放成本約束后，園區(qū)總運行成本再次大幅下降，主要原因則是系統(tǒng)更低的能量損耗及電網(wǎng)購電成本，以及所選擇的儲能設備效率較高.

5.3 2050 年高碳排放成本約束下園區(qū)規(guī)劃展望

隨著雙碳戰(zhàn)略的不斷推進，碳排放成本將大幅上升[17]，進而對于零碳園區(qū)的選擇配置會產(chǎn)生較大的影響.基于本研究的優(yōu)化求解，可以為工業(yè)園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)構建指明發(fā)展方向，為相關產(chǎn)業(yè)布局和規(guī)劃提出指導.根據(jù)國際能源署展望，將2050 年碳排放成本定義為2 000 元/t[17]，根據(jù)此數(shù)據(jù)重新計算選擇零碳園區(qū)設備配置，定義為方案4.經(jīng)過計算，最終得到設備配置如下：光伏1 MW、風電3 MW、600 kW/6 MW·h 鈉硫電池、1 MW/10 MW·h 鎂儲熱、1 MW 電加熱、300 kW蒸汽發(fā)生器、200 kW 空氣源熱泵.方案4 投資成本為6 970 萬元，每年的設備維護費用為37 萬元，因此得到系統(tǒng)的總運行成本為12 623 元/d，該方案設備共同特點是高成本、高效率，因此系統(tǒng)由于儲能產(chǎn)生的能量損耗較小，僅為1.5 kW·h，為方案2 的8%，方案3 的22%.同時，方案4 產(chǎn)生的碳排放僅為0.98 t/d，對比方案2、3，方案4 在系統(tǒng)總運行成本上分別上升34%、23%的情況下，碳排放量分別下降94%、77%.同理，由圖11、12 可以看出，配置的綜合能源系統(tǒng)各個時刻的電熱負荷基本都能得到滿足，證實了設備選取的合理性.

綜合方案1～4 的設備功率占比，如圖13 所示.可以看出，2050 年時在高碳排放成本約束下，設備傾向于高效率、高投資成本的高科技儲能手段，熱負荷由電極鍋爐向空氣源熱泵轉換，蓄電池由鋰離子向鈉硫電池轉換，熔鹽儲熱向鎂磚儲熱轉換.綜上，固體蓄熱將成為蒸汽負荷源的主要產(chǎn)生部分，須提前進行產(chǎn)業(yè)布局，在蓄電池方面仍須不斷開發(fā)高效率電池如鈉硫電池，才能滿足雙碳戰(zhàn)略需求下的儲能產(chǎn)業(yè)需求.

根據(jù)國際能源署預測報告，碳交易成本目前約為252 元/t，2050 年約為2 000 元/t，結合表7 中的各個方案的總運行成本，即可得到各個方案的日折算總成本（總運行成本+碳交易成本）Td，如圖14 所示.可以看出，雖然加入IES，系統(tǒng)投資成本費用巨大，但隨著碳排放的日益嚴格，加入綜合能源系統(tǒng)的日折算總成本降低顯著，變?yōu)樵鹊?8%～38%.考慮到目前我國并未實行嚴格的碳交易市場，本研究比較了不包含碳交易成本的總運行成本，可以看出加入綜合能源系統(tǒng)配置后的方案總運行成本約為原先的25%～40%，充分證明了IES 對于零碳工業(yè)園區(qū)的顯著重要性.

圖14 不同方案下污染物排放量及日折算綜合成本變化趨勢Fig.14 Trend of pollutant emissions and daily converted comprehensive cost under different scenarios

6 結論

（1）綜合能源系統(tǒng)內(nèi)更合理的組合方式使系統(tǒng)從外部購電、購熱成本大幅降低，實現(xiàn)了日折算總成本和總運行成本的大幅降低，總運行成本約為原先的20%～40%，日折算總成本降低顯著，變?yōu)樵鹊?8%～38%.因此，包含風光儲一體的零碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)運行方式具有顯著經(jīng)濟性以及應用性.

（2）在碳交易成本約束下，園區(qū)碳、氮、硫排放量均大幅下降，排放量減少90%以上.

（3）在考慮碳交易成本后，綜合能源系統(tǒng)的儲能設備應向高效率、高科技系統(tǒng)轉移，熱負荷由電極鍋爐向空氣源熱泵轉換，蓄電池由鋰離子向鈉硫電池轉換，熔鹽儲熱向鎂磚儲熱轉換.指明未來各部分儲能的發(fā)展方向，對于當前建設零碳工業(yè)園區(qū)具有非常積極的意義.

（4）通過0-1 整數(shù)規(guī)劃只能得到模糊求解并不能準確得到最優(yōu)解配置方案并且本研究未仔細考慮外部風光時效變化對求解產(chǎn)生的影響，接下來應考慮風光變化的時效性對系統(tǒng)優(yōu)化配置的影響.