面向能源互联网的零碳园区优化规划关键技术与发展趋势

刘庆权 万智赟 王晓然

（广东顺德电力设计院有限公司，广东佛山 528300）

0 引言

2022 年，我国国家能源局颁布的《2022 年能源工作指导意见》中明确指出，要充分利用技术优势，推动分布式能源等智慧能源与智慧园区的协调发展。零碳园区是“双碳”背景下诞生的全新发展理念，倡导园区内可再生能源的使用，使园区能源系统由高碳过渡到零碳。然而基于零碳园区的创新性，国内外学者对该发展理念的研究并不深入，其优化规划关键技术与发展趋势尚未明确。为实现双碳战略目标，提升零碳园区发展质量，需要对其关键技术进行归纳[1]。

1 零碳园区的内涵

零碳园区是能源互联网与双碳战略目标发展背景下提出的新概念，主要强调园区内产业发展、建筑设计、交通运输的经济性和低碳性，是实现双碳目标的重要环节。面向能源互联网的零碳园区主要是运用数字化手段对节能减排措施进行整合，并通过智慧化系统进行管理，从而实现园区低碳化发展。通过能源、产业、生态等多领域的技术集成与管理，打造碳排放量趋近于零的园区[2]。零碳园区充分考虑能源系统中风、光等清洁能源的互补属性，基于多能转换、多能互补、多网融合实现能源网络的协同发展。

2 面向能源互联网的零碳园区优化规划关键技术

2.1 多能互补与集成优化

零碳园区将用户侧需求作为规划导向，将生产、转化等设备及需要使用的电力、天然气能源连接在一起，从而实现多能互补、集成优化。其中，多能互补并不是零碳园区诞生后出现的新兴概念，已长期应用于能源领域规划设计，能源系统每进行一次转化，都会出现不同形式的能源互补，园区发展过程中使用的多种能源形势能够得到协同优化，有助于多能源的梯级化使用。

近年来，零碳园区的出现使多能互补、集成优化再次成为能源规划领域的研究重点。目前，我国对该关键技术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。结合零碳园区发展实际，多能流混合模型的搭建是优化零碳园区规划设计的重要基础，多能流交易等能够为零碳园区优化规划提供上层支持。值得注意的是，尽管利用能源互联网能够将冷、热、电、气等能源设备衔接在一起，但相较于单一的能源管理系统，这一耦合的运行模式也会对能源系统发展产生负面影响[3]。例如，热能系统出现故障后，与之相连的电力系统、天然气系统运行负荷骤然增加，电力、天然气等能量供应受到影响，甚至增加能源系统的全局负荷。然而，目前我国零碳园区规划设计鲜少考虑到这一点。因此，零碳园区的规划除利用多能互补、集成优化的关键技术外，还要对能源网荷之间的相互影响进行思考。

2.2 负载管理与优化技术

零碳园区的发展需要相关设备持续运行，而零碳园区的能源需求稳定性较低、波动性较强，该系统在全负荷和无负荷下的能量消耗差值可达100%，这一特性决定了零碳园区新能源消纳具有较强的不确定性。为避免不必要事故的出现，许多园区增加了备用冗余设备。基于能源互联网的优化规划，零碳园区的能源需求峰值和峰谷差值得到了明显的改善，可再生能源得到了有效的利用，从而提高了零碳园区的经济效益和环境效益[4]。零碳园区内的不同设备工作负载，可以利用智能算法进行资源配置，优化服务器的启停，有利于降低园区发展过程中能源的消耗量。在考虑电价的情况下，利用时间维度的负荷转移控制购能费用，并对可再生能源的接入进行全面考虑，通过调度策略对可再生能源及园区负载进行合理配置。

从负荷管理和优化技术的角度看，如果仅仅注重零碳园区负荷调节能力的提升，将不利于发挥园区的运营潜能。因此，在实现这一关键技术时，必须充分考虑园区工业、商业等其他类型的负荷调节。例如，以调度中心为基础的集中激励需求端响应和以能源价格为基础的需求端响应，充分考虑了能量消纳的不确定性，能够为园区内能源调控能力的提升奠定基础。

2.3 多能流调度规划技术

PEI-DC 是集冷、热、电等多种能量于一身的电力系统，科学地安排这一系统是实现零碳园区能源协调发展的重点。现阶段，国内外对多能流调度规划技术的研究较多，其研究范围主要是多能流调度技术的经济性和环保性，部分学者还对能源设备调度方法进行了深入分析[5]。

PEI-DC 作为集多种能源于一体的系统，同样具有不确定性，且该不确定性的复杂程度远在单一系统之上，可能在能源生产、传输等多个环节均有所分布。因此，在零碳园区的规划设计中，对不确定因素的处理技术进行深入探讨也是十分有必要的。现有的研究主要是通过区间优化、鲁棒优化等方法改善系统自身的不确定性，但上述方法忽略了规划调度阶段的能量需求特征。

多能流调度技术是一种以余热回收、负荷管理为基础的技术种类。对PEI-DC 的科学调度方法进行研究，要对零碳园区的业务需求进行考量，据此建立转换模型，从而实现数据处理业务与能源需求特性的强关联性，提升设备运行的稳定性、环保性。

2.4 能源与交通耦合技术

交通部门是零碳园区内能源消耗的主要部门，其碳排放强度相对较高。近年来，电动汽车、天然气汽车技术的出现使园区内交通系统的独立性逐渐弱化，交通系统与园区电力系统的衔接更加紧密，因此零碳园区优化规划需要对交通系统管理引起重视。从系统发展角度来说，面向能源互联网的能源—交通耦合技术，有助于能源与交通系统的结构优化，对于系统运行水平的提升有促进作用。从使用者的角度来看，能源-交通耦合技术能够对交通用能的时空分布进行灵活调整，有助于零碳园区内用户体验感的提升。

3 面向能源互联网的零碳园区发展趋势

3.1 基于共享理念的零碳园区发展

共享理念最早广泛应用于基于博弈论的能源共享模型搭建及能源共享等领域。零碳园区将能源共享作为发展核心，不断应用、完善、优化共享理念是促进零碳园区发展的必要要求。

首先，零碳园区的规划要充分考虑优化设计方案的全局性与层次性，即确保该方案的实施能够实现能源的全局共享，且保证多类型能源设备和负荷资源能够得到合理分配。能源共享理论与能源互联网的物理逻辑相吻合，基于能源共享理论的零碳园区发展规划能够将能源生产、传输、消费等各个环节串联在一起，生成全产业链，并在全生命周期内进行能源共享，这与零碳园区的未来发展方向是高度一致的。其次，随着信息技术的不断进步，零碳园区中无线专网、光纤专网等物联网技术的使用愈发普及，并且这些物联网技术将成为促进多种网络交叉融合的重要载体，零碳园区中能源主体的产消边界模糊性更强，供与需的身份也在不断变化。

3.2 基于数字孪生的零碳园区发展

数字孪生技术，即数字镜像，是一种基于现实空间映射虚拟数字空间，且能够对物理系统状态及变化进行实时模拟的技术种类。未来，能源系统必将成为零碳园区管理的重要组成部分。基于能源互联网的零碳园区，不仅能够为园区发展的各项需求提供针对性服务，还能够与其他领域进行信息交互。基于数字孪生的零碳园区发展规划是利用全息全景镜像提供的空间几何信息对园区内的空间结构进行优化。模块化思想是数字孪生技术的主要思想，有助于零碳园区发展规划相关信息的收集，降低零碳园区系统规划的难度。在数字孪生技术的支持下，零碳园区能够在虚拟、真实的测试环境中对规划方案进行客观评价，从而赋予园区规划设计更加丰富的实践内涵，探索零碳园区规划设计的更多可能性。

3.3 面向云端储能的零碳园区发展

零碳园区中基于可再生能源的发电设备较多，如分布式光伏、风力涡轮机等。这些设备发生的电能随机性较强，且会产生较大波动，储能技术能够将多余的可再生电能吸收，抑或者通过负荷曲线移峰控制园区用电量。但由于储能装置普遍成本较高，对储能技术的广泛推广与应用起到了限制作用。基于此，我国学者提出了利用云端进行储能的发展概念，将用户侧的存储设备整合到云端，并以虚拟存储代替实物存储，云储能供应商可通过通信系统等与消费者进行信息交互，从而获取租赁费用。

目前，已有的零碳园区规划研究以实体储能为主。因此，未来的零碳园区发展可更多地考虑云储能。例如，考虑构建云储能系统租赁成本模型，据此对云储能租赁成本与租赁容量等因素进行分析。有关研究显示，能源互联网背景下，云储能技术的应用能够更好地维持能源供应商与消费者之间的平衡关系。从成本方面考虑，基于云储能技术的供应商投资成本能够得到控制。此外，面向能源互联网的实体储能，其总量与云储能用户的需求相比较小，云储能系统供应商的投资成本进一步降低[6]。

3.4 多园区能源互联网协同的发展

随着数字化进程的持续推进以及国家新基建政策的支持，以能源互联网为核心的零碳园区愈发多样，从而逐渐形成多园区能源互联、信息互通的局面。随着电力系统的改革和能源结构的转变，电力和能源市场得到了新的发展机会。在日趋开放的能源市场环境下，区域内PEI-DC 主体可以结合能源价格的变化趋势，考虑自身发展利益，达成合作或博弈协同关系，一定程度上对园区运行的稳定性产生影响。目前，国内已经以能源价格为基础对零碳园区开发进行了相关研究，但是关于零碳园区负荷空间和时间特征的研究却很少。前面提及的大部分园区负载都来源于本地，如果仅以能源价格为导向，仅能达到时间维度的平移。鉴于此，未来的零碳园区发展规划科技与不同区域的能源价格，通过网络技术实现运算业务向数据中心的转移，为空间维度负荷转移的实现奠定基础[7]。这要求零碳园区发展过程中，充分考虑负荷的时空双重特性，从而实现园区的高效运行。

4 结语

面向能源互联网对零碳园区优化规划工作进行思考是实现双碳战略目标的关键。目前，国内外许多学者已经对零碳园区优化规划工作展开了系统研究，但尚未形成成熟的研究体系。当前，面向能源互联网的零碳园区规划技术种类多样，基于园区不同的发展需求，可使用多能互补—集成优化、能源—交通系统耦合等多种关键技术。值得注意的是，尽管技术种类多样，但零碳园区电力能源供应仍然具有较大的不确定性，现有的技术种类难以充分满足零碳园区的应用需求。因此，需要结合零碳园区不同阶段的发展特征开展进一步研究，探索零碳园区优化规划的更多方案与更多可能性。