能碳耦合关系的零碳园区转型规划设计

能碳耦合关系的零碳园区转型规划设计研究背景研究背景双碳目标下的能源系统转型挑战2020年9月，国家主席习近平在第75届联合国大会上提出了"30·60碳达峰、碳中和"目标，为中国能源系统的绿色转型指明了方向。2022年全球与能源相关的碳排放同比增长0.9%，表明实现双碳目标面临严峻挑战。能源是支撑人类社会发展的物质基础，经济的快速发展产生了巨量的能源需求。电能以其高效、清洁、友好、便捷等特点，成为连接一次能源与终端能源的最佳选择。据预测，2035年和2060年，电能占终端能源消费的比重有望分别达到33%和66%。效的现代化能源体系。电源侧挑战电源侧挑战可再生能源发展与不确定性问题快速增长的可再生能源过去十年间，我国风电和光伏装机增长了8倍。2022年，全国可再生能源新风电新增3763万千⽡太阳能发电新增8741万千⽡运行不确定性挑战分布式光伏发电具有随机性、波动性的出力特点。随着分布式光伏接入电网规模的不断增加，电力系统运行的波动性和不确定性显著增强。这使得电力系统的转型规划面临着严峻挑战，需要研究同时满足系统运行和规划约束的不确定优化方法。能源转型能源转型能源革命的双重挑战从能源转型的角度来看，目前中国尚未完成石油、天然气替代煤炭的第二次能源革命，却又面临以可再生能源~主的第三次能源革命的浪潮，亟待实现可再生能源替代煤炭的能源转型的跳跃式演进2我国现有可再生能源发展零散，尚未形成系统、长效的地区规划模式，亟需提出以电力~主导的地区能源转型规划策略，构建生产侧坚强的供能体系，实现分布式可再生能源对区域用能需求的全面支持2综合能源系统以其多能耦合、能量梯级利用等优势，逐渐成~能源转型规划的重要研究形式，有望助力构建新型综合能源系统、落实我国双碳减排目标2碳汇潜力碳汇潜力生态碳汇在碳中和中的重要作用传统低碳规划只考虑碳排放源问题，但由于我国现代化经济发展的压力仍然沉重，再加上以煤炭为主体的能源结构，碳排放源的"硬减排"空间受到相当大的约束。党的二十大报告明确指出要"提升生态系统碳汇能力"。通过植树造林以提升生态碳汇固碳量有巨大潜力。数据显⽰，若要在2060年实现碳中和，我国需要大幅度提升碳汇能力，达到每年20亿吨二氧化碳的吸收量。20亿吨2060年目标年度CO₂吸收量需求森林贡献陆地碳汇中森林生态系统的贡献比例零碳园区零碳园区零碳园区:地区低碳转型的新型组织形式零碳园区的物理界限分明、生态系统独立，能够计及园区内碳循环网络和能源网络之间的强耦合关系，对就地实现源荷自平衡和CO2自吸收提出了严格要求，是地区低碳转型规划的新型组织形式2耦合生态碳汇扩张的综合能源系统长期转型规划，能够建立有效的CO2平衡供求关系，为双碳目标下的城市规划提供可靠的技术支撑2零碳园区的空间范围灵活，小至村落、大至城市，均可作为零碳园区进行多能源耦合挖掘多能源耦合机理可以在更大程度上实现资源的优化配置多能源耦合挖掘多能源耦合机理可以在更大程度上实现资源的优化配置，提高能源的利用效率生态均衡补偿规划的运行精度，形成有效的生态均衡补偿电源优化配置对清洁能源进行优化配置有利于电能的高效消纳，提高系统运行效率和可靠性开展双碳目标下计及运行模拟的零碳园区转型规划研究，形成电力系统以及综合能源系统的长效规划配置方案，有利于推动高比例分布式可再生能源设施的投建与发展，满足未来能源系统环保、经济等多方面需求，推动我国清洁低碳、安全高效的现代化能源体系构建。第一章研究现状第一章研究现状可再生能源不确定性问题研究现状在高比例可再生能源渗透的零碳电网规划中，电力系统中光伏、负荷的随机性、波动性导致电网运行不确定性显著增强，使得电网的规划设计面临着严峻的挑点预测场景法采用一条功率预测曲线来表征风电等变量的不确定性，忽略了大量的随机信以不确定变量的概率分布可知为前提，采用大量典型预测场景来表⽰不确定出力，将不确定性规划转化为多个确定性场景的规划机会约束法不确定集法允许在一定置信水平下出现不满足约束的规划优化，但没有考虑不确定因素波与鲁棒优化相配合，不需要建立精确的光伏发电及负荷预测模型，仅需统计其波动范围，具有较好的应用前景鲁棒优化方法的应用鲁棒优化方法于1973年首次应用于含有不确定性因素的线性规划问题中，它是一种在不确定参数的变化扰动范围内针对最劣不确定性情况寻找最优解的优化方法，更关注不确定性变量的边界信息。由于不需要建立精确的光伏发电及负荷预测模型，仅需统计其波动范围，该方法受到研究者青睐。研究进展多面体不确定集描述电动汽车充电负荷的波动性与不确定性数据驱动型模糊集捕获历史数据信息，降低模型保守性引入安全裕度系数描述不同波动值对系统影响的严重程度规划-运行一体化模拟方法新能源发电运行具有物理环境多样、决策环境复杂等特点，对系统运行提出了新的要求2为有效辨识规划方案在运行层面的潜在问题、充分计及源荷不确定性，研究者建立了针对新型电力系统的运行模拟方法2长时间尺度耦合考虑长时期时间尺度上的电力季节性不平衡，对多个时间尺度进行耦合，提出高效的全年逐小时运行模拟规划模型快速运行模拟2基于时序负荷曲线的8760小时全景快速运行模拟技术，简化经典机组组合模型，实现对系统运行状态和时序耦合特性的精确描述2两阶段鲁棒模型3第一阶段进行投资决策，第二阶段进行运营模拟，根据不确定参数集对规划结果进行调整，确保系统具有较高的鲁棒性3研究空白研究空白零碳园区转型规划问题研究现状采用风、光、水、储能和需求侧响应耦合方式，但空间分布、资源可用量以及开发速度使实现成本难以预估研究局限性现有研究多关注目标函数中碳排放成本的小幅优化，或对100%新能源系统的盲目追求，尚采用风、光、水、储能和需求侧响应耦合方式，但空间分布、资源可用量以及开发速度使实现成本难以预估研究局限性现有研究多关注目标函数中碳排放成本的小幅优化，或对100%新能源系统的盲目追求，尚缺乏对生态碳汇的考虑传统规划模式以设备容量为主要决策变量，将碳排放成本嵌入目标函数，在碳排放成本与设备投建成本之间寻求最优规划结果能源-碳耦合系统规划研究现状能源-碳耦合系统规划旨在从"能源角度"和"碳角度"对以新能源发电为主体的综合能源系统进行研究，形成能源-碳耦合视角下的综合能源系统转型路径。现有技术应用现有的低碳能源系统规划研究大多集中与光伏发电、热电联产、电解制氢以及需求响应等技术的创新和应用上。碳捕集系统(CCS)和直接空气捕集(DAC)技术常被应用于能源行业的碳中和。具有碳捕获和储存功能的生物能源(BECCS)是另一种常见的固碳技术。生态碳汇研究植被在吸收大气CO₂方面发挥着至关重要的作用，可以完全抵消中国广东-香港-澳门大湾区与化石燃料相关的CO₂排放。从2010年到2016年，中国陆地碳汇的年均碳储量为1.11±0.38Mg，相当于同期碳排放量的45%。生态碳汇研究进展与不足植树造林还可以进一步增加固碳，从而抵消CO2排放，被认为是有效和最环保的碳减排措施。部分研究已经开始关注生态碳汇在碳中和中的作用。 宏观分析研究侧重于从宏观层面分析生态碳汇的经济环境优势，建立城市碳循环网络精度不足从"碳视角"出发的能源电气化转型研究相对粗放，难以匹配综合能源系统规划融合缺失难以实现碳循环网络与能源网络的深度融合，生态碳汇难以精确服务于双碳目标的就地实现研究内容研究内容本文主要工作内容与创新点针对目前零碳园区转型规划存在的问题，为了实现"能源视角"和"碳视角"深度融合下零碳园区的长期转型路径规划，本文的研究内容和创新点如下:电力系统两阶段鲁棒规划计及运行不确定性电力系统两阶段鲁棒规划计及运行不确定性，构建多面体不确定集，建立两阶段鲁棒规划模型，采用C&CG分解算法求解电-碳耦合运行模拟建立零碳园区碳足迹核算体系，提出低碳需求响应机制，实现电-碳耦合运行的零碳园区转型规划能源-碳耦合逐年规划建立计及碳循环的综合能源枢纽模型，提出生态碳汇逐年生长模型，实现零碳园区长期转型规划2233论文由4章组成，各章节之间层层递进，从电力系统规划到电-碳耦合，再到能源-碳耦合，逐步深化零碳园区转型规划的研究内容。分析双碳目标下能源系统转型规划问题，总结现有文献存在的问题和未来发展第3章:电-碳耦合规划建立零碳园区碳足迹核算体系，提出低碳需求响应机制，进行电力主导的零碳第2章:电力系统规划建立计及运行不确定性的电力系统两阶段鲁棒规划模型，确保规划方案满足安全运行约束第4章:能源-碳耦合规划提出计及碳循环的综合能源枢纽模型，建立生态碳汇逐年生长模型，进行长期转型规划第二章不确定性建模第二章不确定性建模电力系统规划中的不确定性问题电力系统运行模拟在规划问题中扮演着至关重要的角色。通过从运行的角度对电力发展动态进行评估，对于科学的电力投资决策具有极其重要的意义。在低碳电力系统规划模式下，由于可再生能源大规模接入，风力和太阳能发电的波动性使得传统的统计分析和经验模型难以满足电力系统规划的需求。本章建立考虑多重不确定性的n阶段鲁棒规划模型，第一阶段决策规划变量，第二阶段决策运行变量，确保即使在可接受的最o重波动情况下，系统依旧能够可靠保持能量供需平衡。不确定集建模方法比较不确定集合的准确程度直接影响鲁棒问题的复杂程度，进而影响求解结果的准确性。目前常见的3种不确定集合形状各有特点:1优点:简单的形式和线性结构，在实用工程中最常用缺点:可能让实际规划策略陷入严重保守的问题，因为几乎不可能所有的不确定因素都同时到达边界2优点:计及了多个不确定因素间的耦合效果缺点:转化条件相当严格，在实际问题中往往难以满足，使得鲁棒优化问题难以求解3优点:集合了BUS和EUS各自的优势，既具有简单的线性结构，鲁棒性又便于灵活控制应用:得到了广泛的使用，可通过调整不确定度参数灵活控制优化结果的鲁棒性多面体不确定集的数学表达多面体不确定集(PUS)通过不确定度约束来限制不确定场景集与预测场景集的总偏差，实现了经济性与鲁棒性的平衡。其数学表达为:其中，$d_i^e$为区间的中点，表⽰预测值；$\Gamma$为不确定度，$\sum_i|z_i|\le\Gamma$为不确定度约束。0确定性模型当Γ=0时，每个不确定因素都等于预测值11最大鲁棒性光伏出力与负荷的不确定性建模对光伏出力值以及负荷功率不确定性的准确表述能够确保系统的安全稳定运行，提升规划方案的合理性。采用PUS能够覆盖更多波动情况，提高模型求解精光伏发电不确定性不同时间、地点的光照强度不同，光伏对应的输出功率也不同。光伏发电PUS建模引入随机变量和不确定性预算来刻画出力波动。电力负荷不确定性电力负荷需求的不确定性对配电网规划影响显著。负荷功率的PUS建模与光伏出力类似，同样采用上下波动的方式来描述不确定性。规划模型规划模型运行成本及系统的弃光成本和切负荷成本配电系统电源容量规划模型的综合成本包括投资成本和运行成本。目标是在满足电力系统负荷需求的前提下运行成本及系统的弃光成本和切负荷成本投资成本需要折算为等年值配电系统电源容量规划的约束条件包括规划投资约束和电力系统运行模拟约束，确保规划方案在实际运行中满足各项技术和安全要求。规划投资约束设备可建容量约束，限制各节点各类设备的最大安装容量光伏机组出力约束光伏机组间歇性出力约束，确保出力不超过额定功率供电充裕度约束网络运行约束线路传输容量约束、节点电压相角约束、交互功率约束储能约束电化学储能约束，包括充放电功率、容量、效率等限制两阶段模型两阶段模型两阶段鲁棒优化模型针对计及运行不确定问题的规划模型，采用两阶段鲁棒优化方法。第一阶段为投资决策模块，初步确定光伏、储能等待规划设备的容量配置；第二阶段优化运行变量，找到导致最高运营成本的最劣情况，修正规划结果。静态鲁棒优化的局限静态鲁棒优化的"静态"特性是指在实现不确定参数之前，就必须确定决策变量。由于不具有反馈机制，为了保证优化结果满足所有不确定因素的波动情况，往往会导致所得策略过于保守。动态鲁棒优化的优势两阶段鲁棒优化中，第一阶段决策变量在不确定因素实现之前确定，第二阶段决策变量可以在不确定因素实现之后再做出决策。该特性使得模型存在反馈机制，改善了过于保守的问题。两阶段鲁棒模型的数学形式两阶段鲁棒规划模型具有"min-max-min"结构，通过主问题和子问题的迭代求解，找到在最坏情况下的最优规划方案。其中，$f_1(x)$~第一阶段目标函数(投资成本)，$f_2(y,x,u)$~第二阶段目标函数(运行费用)。$h(x)\le0$~投资阶段的约束条件，$g(y,x,u)\le0$~运行阶段的不等式约束条件，$l(y,s,u)=0$~运行阶段的等式约束条件。求解算法求解算法由于两阶段鲁棒模型具有复杂的"min-max-min"结构，需要使用列和约束生成(C&CG)分解算法将模型重新分解为主问题和子问题进行求解。初始化设置迭代次数k=1，给定迭代收敛精度ε以及上下界:LB=-∞,UB=+∞求解子问题根据主问题的整数解求解子问题，得到最劣波动情景下系统的总成本，更新迭代上限求解主问题在预测情景下求解主问题，得到规划结果，计算系统限收敛判断如果UB-LB≤ε,终止迭代并输出结果；否则，令k=k+1，更新约束条件，返回步骤2C&CG分解算法与Benders分解算法在原理上非常相似，但是在求解子问题之后返回主问题信息有所不同。Benders分解:将对偶子问题的对偶变量信息返回主问题C&CG分解:将子问题的原变量信息返回主问题C&CG算法通过主问题和子问题的交替迭代，能够有效地找到两阶段鲁棒模型的最优解，同时保证规划策略具有适度的鲁棒性。第三章电第三章电-碳耦合零碳园区碳足迹核算体系电力碳源核算全生命周期电力生产碳源核算，包括设备生产、建造、运行维护及退役时期的碳排放能源碳源核算基于能源桑基图理论，计算煤炭、石油、天然气等化石能源产品的碳排放量在第2章工作的基础上，本章计及能源行业的电气化转型，建立了碳中和约束下基于电-碳耦合运行的零碳园区转型规划模型。核算园区碳足迹的方法可分为电力碳源核算全生命周期电力生产碳源核算，包括设备生产、建造、运行维护及退役时期的碳排放能源碳源核算基于能源桑基图理论，计算煤炭、石油、天然气等化石能源产品的碳排放量生态碳汇核算采用生态系统过程建模法，根据植被类型和占地面积，计算园区生态碳汇固碳总量生态碳汇固碳模型生态碳汇固碳是指森林、草地等植被吸收大气中的CO₂的过程，是植被光合作用的碳吸收过程和呼吸作用的碳排放过程共同作用的结果2我国陆地碳汇中，森林、农田、草地和湿地生态系统分别能够对温室气体减排作出70%、16%、10%和4%的贡献2植被的日内CO₂吸收量呈现Gauss型曲线或双峰Gauss型曲线2根据土地覆盖情况将不同类型植被的CO₂吸收量加和，得到园区生态碳汇固碳总量2全生命周期电力生产碳源核算为了以清洁电能满足更多用能需求，园区通过光伏发电、碳捕集燃气轮机以及向上级电网购电保证电能供应，并通过储电设备缓解消纳问题。上述设备的全生命周期均会产生碳排放。生产阶段设备制造过程中的能源消耗和碳排放退役阶段设备报废、拆除、回收过程中的碳排放AInv=r×λ×sT建造阶段设备安装、调试过程中的碳排放运维阶段设备运行过程中的能源消耗和碳排放能源桑基图与碳源核算除能源生产外，煤炭、石油等其他能源产品也对零碳园区的能源活动起到相应支撑作用，是园区重要的碳排放来源2园区能源桑基图是一种集能源种类、数量与流动方向于一体的静态图，能够反映多种能源产品在园区内的流动情况2对照能源桑基图写出园区能流矩阵Q，能源活动碳排放总量的计算公式为:其中，$\delta$为能源产品的碳排放系数矩阵2低碳需求响应低碳需求响应小时碳承载指数(HSI)为了得到符合电力系统运行模拟精度的CO₂大气演变指标，本文提出小时尺度的碳中和指标，用以衡量碳汇对碳源的实时碳承载水平。其中，$A_{\text{Em},t}$、$A_{\text{Ab},t}$分别表⽰t时刻电力和其余各项能源活动的CO₂总排放量、生态碳汇和碳捕集设备的CO₂总吸收量。碳中和该时刻能源活动产生的CO₂已被园区碳汇中和允许波动考虑空气质量允许在一定范围内波动通常情况下，外界环境空气中CO₂的比例通常保持在400ppm左右，此时园区处于碳中和状态。短时间内CO₂浓度较高，不会严重影响身体健康。根据国家标准《环境空气质量标准GB3095—2012》，为确保地区空气质量不会达到中度污染程度，本章限制$\omega_{\text{max}}=4.00$。优优良轻度污染04812柔性碳汇分析与建模园区能源网络产生CO₂,生态碳汇、CCS-GT以及DAC捕获CO₂,共同构成园区的碳网2碳网中的碳源、碳汇均可分为刚性和柔性两类2碳捕集燃气轮机通过捕集效率λ来控制CO₂的捕获量，捕集过程需要消耗额外的电能直接空气捕集设备能够大规模去除空气中的CO₂,但工艺能耗过高，仅作为后备手段提供必要支撑柔性碳源分析与建模柔性碳源是指能够在特定区间内变化或在不同时段间转移的碳排放量，包含可削减碳源与可转移碳源两类。通过柔性碳源的协调调度，可以优化园区碳排放曲可削减碳源可降低园区碳循环网络中一定水平的碳排放量，主要通过化石能源行业的电气化转型来实现。其中，$\boldsymbol{\beta}_{\text{cur}}$为能源电气化转型矩阵，$\beta_{ij}$表⽰第i种能源活动中第j种能源的电气化转型比例。可转移碳源可以灵活调整生产时间区间的碳排放活动，例如工业、建筑业等。通过时间转移，可以将碳排放调整到碳汇吸收能力强的时段。btra,tAtra,min≤Atra,t≤btra,tAtra,max要求转移排放量不超过最大、最小值限制，并满足转移碳源总量平衡和最小转移时间约束。规划模型规划模型建立考虑多种不确定因素的两阶段鲁棒规划模型，以解决零碳园区电-碳耦合规划问题，并嵌入逐小时时序运行模拟，有效辨识运行层面的潜在问题。不确定性因素采用PUS形式表⽰生态碳汇固碳量、光伏出力值以及电力负荷功率的不确以系统综合成本最小为目标，包括电力系统设备投资成本、运行成本、能源电气化转型成本约束条件碳网约束(碳中和目标、柔性碳汇碳源调度)和电网约束(设备容量、供电充两阶段鲁棒规划模型求解将基于电-碳耦合运行的零碳园区转型规划问题转化为两阶段鲁棒模型形式，第一阶段为投资决策模块，第二阶段优化运行变量，采用C&CG算法实现转型规划问题的求解2其中，$f_1(x)$为投资成本，$f_2(y,x,u)$为运行费用2$h(x)\le0$为投资阶段约束(碳中和目标、最大可建容量)，$g(y,x,u)\le0$为运行阶段不等式约束，$l(y,s,u)=0$为运行阶段等式约束2算例分析算例分析算例设置与情景设计为了验证本文所提零碳园区转型规划方法的有效性，园区内采用IEEE-33节点电力系统，耦合ChinaFlux碳通量逐小时观测数据。算例园区占地面积约72.93km²,按照4种情景进行零碳园区转型规划:1情景2:情景2:仅电力行业碳中和仅计及电力系统碳中和目标，通过CCS-GT和DAC设备中和电力生产中的碳排放2情景3:情景3:能源行业碳中和计及能源系统碳中和目标，通过生态碳汇、CCS-GT和DAC设备中和所有能源生产中的碳排放3计及能源系统碳中和目标，且所有能源需求均由4转型规划结果分析4种情景下电力系统装机容量的规划结果和对应的转型成本显⽰，初始情景下碳排放总量是碳减排效果情景3能源系统净碳排放量较电力负荷增长增长倍数化石能源减少情景3化石能源碳排放量下降从园区能源结构来看，随着电力在终端部门中更多地替代其他种类能源，电力供能占比从情景1、情景2中的30%达到了情景3中的57.18%，乃至情景4中的100%。500光伏CCS-GT化石能源净碳排放量与经济成本关系转型情景的选取直接影响到园区所需付出的经济代价以及全社会用电成本。随着碳减排力度的加大，电力行业的转型总成本大幅上升。但是电价在情景4却有所回落。这是由于园区100%电气化转型切断了化石燃料的碳排放途径，在一定程度上缓解了电力系统的减排压力。情景3从园区角度统筹利用园区碳汇，通过柔性碳源的协调调度实现园区碳中和，在降低净碳排放量的同时保持了较好的经济性。运行分析运行分析电-碳耦合运行分析情景3的代表日碳网运行工况显⽰，生态碳汇的固碳作用集中于7:00-19:00，并在12:00和15:00两次达到峰值。工业部门作为柔性碳源，被大规模转移到12:00-15:00完成生产。à是由于经过一个夜晚的累积，N午空气中的CO₂浓度已达到高峰，生态碳汇在平衡实时生产CO₂的同时，ß要吸收空气累积的CO₂,碳汇固碳压力较大，因此可转移碳源尽可能在O午完成排放。代表日电力系统的电量平衡结果显⽰，PV电量输出集中在7:00~18:00，并在12:00左右达到由于光伏出力取决于园区光照强度，清洁电力短缺主要集中在夜晚，产生的电力缺额由ES放在午夜用电低谷期，除CCS-GT出力外，系统还从上级电网低价购电，以保证负荷供应。未解决可再生能源的扩张带来的电力系统稳定性问题，需要新建储能设施进行解决。第四章能源第四章能源-碳耦合计及碳循环的综合能源枢纽模型第3章从电力主导的角度得出了零碳园区的转型规划建议，生态碳汇与电力系统的耦合运行对实现碳中和目标的有效性得到了初步证明2本章将进一步将电力、天然气、热力等能源间的多能耦合关系纳入考虑2本文提出了计及碳循环的能源枢纽(CC-EH)的概念，它可以计及CO₂的产生、捕获和利用过程，建立有效的CO₂供求平衡，便于分析综合能源系统中能量流和碳排放流的耦合关系2在CC-EH中，电力、天然气、热力、煤炭和石油等多种能源类型通过能源枢纽进行转换和存储2安装在EH中的PV、风力涡轮机是清洁能源的主要来源2清洁能源生产PV和WT提供清洁电力，是零碳园区的核心能源来源能源转换P2G和GT实现电力和天然气的相互转换，EB实现碳捕集与利用TU-CCS、DAC和生态碳汇共同构成CO₂捕获和利用体系CC-EH中，从上级电网购买电能的火电部分将产生CO₂,化石燃料的燃烧过程中也会产生CO₂。上述碳排放的固存方式有4种:通过碳捕集改造的火电机组从烟气中直接捕获和DAC设备从空气中捕获和存储CO₂储存CO₂参与P2G设备的第二阶段反应，与H₂结合生成CH₄通过生态碳汇生物过程进行固定和利用生态碳汇逐年生长模型生态碳汇是中和能源系统中碳排放的关键途径，研究生态碳汇的长期变化规律对零碳园区的逐年转型规划有着重要意义2本章建立考虑生物量逐年增长的生态碳汇固碳模型2随着植被生长，其生物量逐渐达到相对平衡状态2根据植被年龄和生物量之间的经典逻辑方程，植被生物量可以定义为:其中，$B_{y0}$表⽰初始植被生物量，$v_0$表⽰植被不受环境、营养或干扰限制情况下的固有生长速率，$B_{\max}$为植被最大生物量2逐年转型路线建模大多数关于综合能源系统规划的研究只关注目标年的