面向能源互聯網的零碳園區優化規劃關鍵技術與發展趨勢

宋卓然，程孟增，牛威，王宗元，劉嘉恒,葛磊蛟

(1.國網遼寧省電力有限公司,沈陽市 110004；2.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院,沈陽市 110015；3.國網遼寧省電力有限公司大連供電公司,遼寧省大連市116001；4.智能電網教育部重點實驗室(天津大學),天津市 300072)

0 引 言

隨著能源短缺與環境污染的日益顯現，能源行業的改革與發展逐漸成為關乎國家安全穩定與國民經濟發展的重要任務。面對能源危機和環境問題的挑戰，為支持碳達峰和碳中和目標的實現，國家發展改革委2022年發展改革重點任務中強調要加強能源產供儲銷體系建設，充分發揮煤電油氣運保障工作部際協調機制作用[1]。同時，國家能源局印發的《2022年能源監管工作要點》[2]中提到要深化能源體制改革和市場機制建設，督促能源重大戰略、規劃、政策落地實施，在國家能源局《2022年能源工作指導意見》中，也指出要推動分布式能源、微電網、多能互補等智慧能源與智慧城市、園區協同發展。為更好地貫徹落實關于電力能源領域的各項政策，以促進能源產業轉型發展，應深入開展零碳園區的建設研究，以加速“雙碳”目標的實現。

隨著經濟社會的發展，能源的發展逐漸呈現出集約化、扁平化、網絡化和去中心化的趨勢[3]。在此背景下，能源互聯網(energy internet,EI)[4]、多能源系統(multi-energy system,MES)[5]與綜合能源系統 (integrated energy system，IES)[6]等概念應運而生，推動了電力、熱力和天然氣系統的改革、核心設備的研發及相關信息系統深度融合。為解決傳統氣、冷、熱、電單一形式能源系統耦合不緊密，綜合能源利用效率低，區域空間、社會、經濟、交通和生態系統不協調等問題提供了條件[3,7]。能源利用方式從“傳統單一能源利用方式、單一能源市場”的單一模式，到“以用戶為中心、開放互聯、多能協同、多能互補”的友好多邊模式轉變[8]。在我國“雙碳”目標背景下，基于綜合能源系統與能源互聯網的綠色低碳、安全高效的低碳城市/零碳園區的構建成為一種新趨勢，也是深入推動“源網荷儲縱向貫通、電氣冷熱橫向協同”的園區從“高碳”向“低碳”，再到“零碳”的演化發展路徑的關鍵所在[9-10]，對推動碳達峰、碳中和目標的實現具有深遠的現實意義[11]。

為應對國家電力能源產業改革，園區的優化規劃進入了以能源互聯網為核心的發展階段，其優化規劃技術迅速成為了研究熱點。文獻[12] 針對園區能源系統的優化配置問題，提出了一種計及綜合能源自給率、利用率和能量缺額期望的雙層優化配置模型。文獻[13]提出了一種以氫氣儲能為不同能量形式轉換樞紐的園區綜合能源系統架構，并闡述了氫氣儲能清潔、能效高的優點，有望成為實現“雙碳”目標的重要支撐技術。文獻[14]以年總成本、年污染排放和年能耗最低為主要目標，提出了一種面向園區微網的綜合能源系統兩階段優化規劃方法。在零碳園區選址定容方面，文獻[15]針對一個冷、熱、電、氣互補性的園區能源系統，從資源評估、負荷預測、區域供能站和管網規劃原則等角度研究了選址定容規劃技術。文獻[16]提出了基于加權有向圖的綜合能源系統模型和能效評估方法，將指標延伸至整個系統層面，并對能效指標進行綜合評價，解決了單一能效評估指標具有局限性的問題。文獻[17]提出了考慮園區綜合能源系統建設時序的多階段優化規劃方法，以滿足園區內長時間尺度下負荷增長的需要。在交通能量補給設施規劃方面，針對交通系統的高碳排放強度，文獻[18]計及綜合能源系統交通能量補給設施，以全系統投資和運行費用最低為目標，建立了電-氣-交通耦合的綜合能源系統優化規劃模型，對電網、天然氣管網以及充電站、加氣站等設施進行協同規劃。

零碳園區是近來在我國“雙碳”目標背景下所興起的新概念，旨在提高園區能源供應中可再生能源比例，使得園區能源系統從“高碳”向“零碳”發展演化。然而，目前對零碳園區的內涵架構尚未有統一且明確的定義，國內外學者對其理解還不夠深入與全面，其優化規劃技術發展的未來趨勢和挑戰也尚不明確。此外，在新型電力系統背景下，園區的電力能源供應具有水/電/氣/熱高度融合、源網荷儲強不確定、一二次拓撲結構復雜多樣等特點，現有的規劃設計技術較難滿足其應用需求。因此，為順應我國能源政策和時代潮流，促進園區的高質量發展，本文從能源互聯的角度闡述零碳園區內涵架構與其規劃技術的研究現狀，歸納總結當前園區優化規劃的關鍵技術，分析零碳園區優化規劃所面臨的科學與技術挑戰，以期為面向能源互聯網的零碳園區的實現提供更有力的技術支撐。

1 零碳園區內涵與規劃研究現狀

零碳園區是能源互聯網技術在我國碳中和與碳達峰目標背景下的新產物，是發展未來分布式能源、微電網、多能互補等能源利用技術的主力軍。由于其研究還處于起步階段，目前學者尚未對其有清晰認知。為實現園區合理規劃設計，文章分析了零碳園區的內涵與架構組成，介紹了其形態演化及負荷特性，從成果豐富性、技術多樣化兩個角度歸納零碳園區優化規劃的研究現狀。

1.1 零碳園區內涵架構

零碳園區是能源互聯網熱潮和中國“雙碳”目標背景下的產物，在園區的建設中，考慮能源系統中風、光、氫等清潔能源的互補性質，實現能源系統的源網荷協同規劃，發展低碳產業、低碳交通、低碳建筑，打造高效的低碳清潔園區，保證園區能源與電力供應的安全、經濟與低碳性，是我國實踐碳中和碳達峰的主力軍，其技術進步與分布式能源、微電網、多能互補等技術的發展密不可分。

零碳園區中考慮了多種能源的轉換、分配與協調過程，是基于用戶側而建立的多能源耦合系統[3]，由電力能源提供站、儲能系統、交通系統、輸配管網和用于能源消費的負荷中心等組成[19]，其設備組成與拓撲如圖1和表1[8]所示。

圖1 零碳園區拓撲Fig.1 Topology of zero-carbon park

表1 零碳園區中的設備組成Table 1 Equipment composition in a zero-carbon park

園區能源系統的源荷建模是其源網荷協同優化規劃的關鍵所在。零碳園區的源、荷模型可由能量樞紐表示，能量樞紐將系統中能源、負荷、網絡之間轉化、傳輸等多能的耦合關系用一個輸入-輸出端口模型描述[20-21]，可有效模擬零碳園區中各種類型的源、荷節點的輸入輸出特性，如圖2所示。

圖2 能量樞紐示意圖Fig.2 Schematic diagram of an energy hub

文獻[21]總結了“源-網-荷”協同規劃中多供能網絡耦合元件對于零碳園區的意義與效果，具體描述如下：

1)從網的角度來看，零碳園區包括配電網絡、配氣網絡以及區域熱網，對應的負荷形式為電、冷與熱負荷。多供能網絡耦合元件是零碳園區供能網中能量相互轉化的核心組件，也是多供能網絡聯合規劃的基礎。燃氣輪機與冷熱電聯供機組可以將配氣網絡中的天然氣轉化為其他形式的能量。其中，冷熱電聯供機組可以將天然氣轉化為電、熱與冷的其中一種能源形式，實現電力-天然氣-熱網的多網耦合，燃氣輪機是將天然氣轉化為電能的關鍵元件，可以使電力與天然氣網實現深度耦合。

2)電轉氣是將零碳園區的出力轉化為氣體的技術，例如園區能源系統可以利用電解水制氫技術將多余出力轉化為氫氣。電轉氣設備對于氣網來講，可以改變氣體網流的傳輸方式，通過電解水制得的氫氣也可減小管道氣體高熱值，在滿足相同負荷需求的前提下，所需管道內氣體的體積會更小。此外，電轉氣技術在零碳園區中的引入可以使系統中多余的能量以氣體的形式存儲起來，降低能源網絡擁塞程度，節約能源系統運行成本，提高能源系統內的可調容量[21]。

3)在園區的負荷低谷期，能源系統中光伏板、風力渦輪機等可再生能源生產元件會有多余的出力。此時，能源轉換設備中的電鍋爐、制冷機等元件作為能源轉化的介質，實現電能向冷、熱的轉換，并可以在冰蓄冷和熱儲罐等能量存儲設備中存儲起來，在園區負荷的高峰期釋放能量，緩解園區內供冷/供熱和供電網絡的壓力。

近年來，電動汽車的快速發展，使作為重要能源消費部門的交通系統與電力系統的耦合正逐步增強[18]。車輛到電網(vehicle to grid,V2G)技術體現了電動汽車與電網的關系，形成電力系統-交通系統的耦合。電力系統-交通系統二者交互使交通網和配電網的交通潮流分配產生互相影響，降低園區交通系統的碳排放并平抑能源系統中的負荷波動[21]。

1.2 零碳園區與園區綜合能源系統之間的聯系與區別

隨著國家政策的大力支持，園區綜合能源系統的設計理念逐漸向零碳園區的形式發展，并逐步深入我國多地，成為未來我國能源系統的主要形式。所謂零碳園區，就是以低碳的理念重塑園區的綜合能源系統，發展低碳產業、低碳交通、低碳建筑，最終實現可持續發展的目標。對于園區能源系統而言，其元件設備規模大小、規劃目標與約束上的差別是其與零碳園區的重要區別之一。如何實現園區綜合能源系統的低碳化發展成為當今時代的關鍵問題。

零碳園區是園區綜合能源系統的重要載體，其與綜合能源系統的區別在于零碳園區將“低碳”與“零碳”的思想引入到園區的規劃設計中，相比于傳統的園區綜合能源系統，零碳園區具有電力部門逐漸脫碳化、終端用能部門電氣化與低碳燃料使用擴大化的內涵[22]。零碳園區以零碳用電為主要發展目標，開展可再生清潔能源供電。對于零碳園區來講，不確定的負荷完全由風、光等可再生能源供應，這使得園區保證零碳或低碳用電理念的同時，也造成了源荷的強不確定性。同時，大量分布式能源的接入也導致了如光伏逆變器等電力電子設備的大量接入，使得零碳園區高比例可再生能源與電力電子設備應用的“雙高”問題與供給、需求側的“雙隨機”問題十分顯著。這是零碳園區優化規劃領域所面臨的獨有問題與挑戰，對如何精準實現零碳園區的可再生能源出力預測與負荷預測，如何對可平抑清潔能源波動性的儲能元件實現容量規劃等問題的解決技術提出了更高的要求。

1.3 零碳園區的形態演化及負荷特性

能源互聯網的發展經歷了4個階段：孕育階段、概念階段、起航階段、升華階段，我國大力支持能源互聯建設，并為此出臺了能源政策[23]。隨著云計算、大數據、物聯網技術、移動互聯網和人工智能的應用，零碳園區的內涵被不斷豐富，在當前能源互聯背景下其形態演化的結果如下：就電源而言，除了傳統石油、天然氣等常規電源通過大電網的變電站給園區供電，風/光等集群式新能源、多能互補、微電網、虛擬電廠等不同市場主體的能源資源的接入比例越來越高；就網而言，油氣管網、供熱網、冷熱電聯供等多種資源網絡正在強耦合，5G、光纖專網、小無線專網等新型物聯網接入手段，支撐起園區的信息流，形成了能量流和信息流等多種網絡彼此相互交叉融合態勢；就負荷而言，除了傳統的工業、商業、居民等用電負荷，電動汽車、智能樓宇、儲能設備、柔性負荷、電解水制氫等新型負荷，使得園區的電力負荷組成越來越復雜多樣。現在，零碳園區的負荷逐漸呈現如下新特征：

1)多元性。電、氣、熱、冷多元用戶具有不同氣、熱/冷網絡能量傳輸的延時性、能量品質的差異性以及用能需求的替代性，使得零碳園區負荷呈現多元化特點。

2)互動性。電動汽車、柔性負荷、電解水制氫等新型電力用戶具有需求響應靈活、與電網互動的特點，零碳園區用戶負荷呈現多樣化特點。

3)社會群體性。園區的多類型用戶數量眾多，用戶與用戶之間、用戶群體與能源系統之間緊密耦合、相互影響，用戶多樣化訴求與其生產、生活等社會性行為密切相關，零碳園區負荷呈現社會群體性特點。

上述零碳園區共性的特點，使其負荷形式擴展到了源網荷各個環節，且未來的負荷形式會更加復雜，導致零碳園區的規劃難度會進一步提高。在當前園區負荷形式與設備類型愈發多樣的背景下，如何繼續保證園區安全、經濟以及低碳運行，深入把控“碳源”與“碳匯”兩個基本要點，在提高能源利用率，實現可持續發展的前提下，實現能源系統的合理優化規劃，是零碳園區規劃層面所面臨的長期任務。

1.4 零碳園區規劃研究現狀

園區的風、光等集群式新能源資源比例越來越高，多種資源網絡正在強耦合，新型負荷使得園區負荷組成復雜多樣，給零碳園區帶來發展機遇的同時，也給其規劃問題帶來新的挑戰。盡管零碳園區規劃設計研究日趨豐富，但相關研究遠未達到成熟階段，缺乏統一完整的規劃流程和方案。總而言之，當前零碳園區的規劃研究還處于起步階段，與綜合能源系統、能源互聯網的其他核心技術相比，當前零碳園區優化規劃研究具有成果豐富化、角度多樣化的特點。

1)面向能源互聯網的零碳園區規劃設計技術成果豐富化。隨著能源互聯網的發展及“雙碳”目標的提出，低碳的概念逐漸深入人心，越來越多的高校、研究機構開展零碳園區相關工作，在研究內容與方向上呈“多點開花、快速上升”的趨勢[24]。

2)面向能源互聯網的零碳園區規劃設計技術角度多樣化。零碳園區規劃設計往往涉及多項技術，文獻[14-16，24-29]從多能互補的角度出發，考慮電熱氣等能源形式的深度耦合與交互性質，實現園區的規劃設計；文獻[18，30-31]考慮了園區的建設時序，從不同角度研究了園區能源系統的漸進式規劃設計技術；文獻[28，32-34]從能量梯級利用角度進行了園區能源系統的站網協同規劃；文獻[15，35-40]從需求響應的角度進行了園區能源系統的元件優化配置與規劃相關研究。文獻[19，41-42]在園區的規劃中側重于能源系統和交通系統/清潔交通之間的耦合，在本文的第2節中，也將對上述提及的關鍵技術進行詳細闡述。

2 零碳園區規劃關鍵技術

作為能源互聯網在我國“雙碳”目標下的重要體現形式，零碳園區規劃關鍵技術在研究內容與方向上呈多樣化與豐富化發展。其中，零碳園區規劃包括評估、設備的選址定容、規劃模型求解等多個方面。本文選取了包括能源-交通系統耦合、多能互補、能量梯級利用、需求響應、漸進式規劃幾個重要角度闡述當前零碳園區優化規劃方面的關鍵技術，介紹園區規劃模型的主要特點與求解方法，以促進園區規劃方面成果進一步多樣化與豐富化，加快零碳園區相關技術的落地應用。零碳園區優化規劃的關鍵技術如圖3所示。

圖3 零碳園區規劃的關鍵技術Fig.3 Key technologies for zero-carbon park planning

2.1 考慮多能互補的零碳園區規劃

零碳園區以用戶側需求為導向，將生產、轉化、存儲設備和各類型負荷構成的電力、天然氣、水、熱、冷等能源節點連接，實現多種能量雙向互補、集成優化[43]。多能互補并非近幾年興起的新概念，而是長期存在并已應用于能源領域的規劃設計中，能源系統中每一次轉化過程，都會存在不同能源形式的互補，對能源系統中的多種能源形式進行協同優化規劃，有助于實現多類型能源的梯級利用和協同調度[44]。

近年來，多能互補與集成優化成為了零碳園區優化規劃領域研究重點，主要包括多能流混合建模、多能源流綜合評估、多能流交易、商業運營模式、多能融合信息系統等方面。對于零碳園區的規劃設計而言，多能流混合建模是零碳園區規劃設計的基礎；多能源流綜合評估可為零碳園區與規劃設計提供目標集；多能流交易、商業運營模式有助于零碳園區規劃中的上層規則設計；多能融合信息系統可以為零碳園區的規劃與設計提供技術支撐平臺和數據基礎[45]。

此外，值得注意的是，盡管能源互聯網聯絡了冷、熱、電、氣等能源設備和能源節點，相比于單一的能源系統，多種能源的耦合有時也會對能源系統造成不利的影響。如果熱能系統出現故障，電力系統和天然氣系統的負荷供應壓力會增大，進而影響電力和天然氣系統的能量供應，甚至會對能源系統全局的負荷供應產生影響。然而，這個有害影響在當前零碳園區優化規劃與工程應用并沒有受到特別的關注。因此，在零碳園區的優化規劃中，不僅要利用多能互補協同規劃的優勢，同時也應該考慮其能源網荷互相之間的不利影響。

2.2 零碳園區漸進規劃理論

漸進規劃理論起源于城市規劃學[46]。所謂考慮建設時序的園區漸進式規劃與設計的概念是指將零碳園區的規劃建設周期分為多個階段，即園區的建設與其規劃是同步進行的，建設期間零碳園區的負荷水平與特性處于不斷增長和變化的動態階段，建設時序集合是指所有可能的零碳園區建設時序方案的集合[33]。

零碳園區的工程建設，往往會根據園區的規模、地理環境、建設條件等因素分為若干階段進行，但在零碳園區的規劃設計時，常假設在整個規劃周期內負荷水平保持恒定不變。盡管這大幅度降低了優化規劃問題的復雜度，但也導致了在規劃階段初期往往出現冗余配置等問題，影響了園區的規劃經濟性，而在規劃階段后期又無法滿足高密度、窄通道的負荷對園區的供電容量提出的更高要求[17]。這促使學者們從多學科的視角出發，探討解決園區發展中遇到的問題，提出了“連續性園區規劃”理論。文獻[17]提出了考慮園區綜合能源系統建設時序的多階段優化規劃方法，根據園區內的負荷水平，將規劃周期劃分為多個階段，在各個階段的初期提高系統中設備的投入，以適應園區內長時間尺度下負荷增長的需要。文獻[32]提出了一種基于階梯碳交易機制的園區綜合能源系統多階段規劃方法。文獻[33]針對實體儲能單位投資成本較高的問題，將“云儲能”技術引入到園區綜合能源系統的漸進式優化規劃中，以云端的“虛擬”儲能容量代替實體儲能，提出了考慮最優建設時序和云儲能的園區雙層優化規劃模型。

文獻[47-48]均提出了考慮建設時序的優化規劃方法。根據已有文獻中的理論，首先要根據所優化的園區的規劃周期等實際情況確定零碳園區建設時序的數量。文獻[48]指出漸進式規劃的規劃階段數量劃分需要考慮園區內負荷增長的速度，當園區的負荷處于快速增長的時期，其階段數需要進行多次劃分，且每一階段相隔的時間較短，而當園區負荷增加速度較慢時，其所劃分的階段數也應該減少。因此，根據未來一段時間內園區的用戶入住與用戶增加的時間和規模，進行負荷水平增長與速度的預測也是漸進式規劃階段數確定的關鍵[17]。

2.3 考慮能量梯級利用的零碳園區站網協同規劃

能量梯級利用[15,22]的概念是指在滿足能源系統中多類型用戶用能需求特征的前提下，以實現提高能源供應系統的綜合利用率和系統完善度為目標，按照能量的品位合理供能。其好處在于根據不同用戶，在不同時段，對于不同種類能源的需求差異，對零碳園區能源系統進行合理的資源配置，實現能源系統的協同規劃。零碳園區站網協同規劃是指對能源站選址、設備選型定容和能源網絡布局進行協同規劃。

文獻[28]提出一種考慮能量梯級利用原理的站網協同規劃方法。協同規劃中的能量梯級利用技術可以概括為：在熱能系統中，燃氣輪機的余熱被余熱鍋爐回收并產生低溫熱水，電熱泵等加熱設備會將其加熱成中溫熱水，中溫熱水的其中一部分會通過尖峰加熱器變為高溫熱水，另外一部分會通過吸收式制冷機制取冷水。零碳園區中的能量在轉換過程中通常涉及熱的梯級利用，因此考慮梯級利用的園區優化規劃可以促進不同品位能量的耦合與轉換利用，進而提升能源利用效率。

2.4 考慮需求響應的零碳園區規劃

需求響應(demand response,DR)是電力系統調度計劃的重要環節，可以起到平抑可再生清潔能源的波動性、削峰填谷、維持電力系統安全穩定的作用[49]。在面向能源互聯網的零碳園區背景下，傳統的DR逐漸向綜合需求響應(integrated demand response,IDR)發展，使得考慮IDR的園區系統的規劃設計成為研究熱點，其核心關鍵是利用園區能源互聯網中不同能源的耦合特性，在通過削減、轉移用能負荷來參與DR的同時，也可以改變消耗的能源種類[13]。

能源系統中冷、熱、電負荷具有較好的柔性可調特征，IDR可以促使園區能量梯級利用[50]，提升能源系統用能效率、系統運行經濟性與調控靈活性，實現園區供需雙側資源協調優化。園區用戶可以根據能源價格信號調整用能習慣和用能需求，降低用戶自身用能成本并提高用能靈活性。因此相比于傳統電力系統中DR，IDR的削峰填谷效果更明顯且用戶滿意度更高[40]。文獻[36]考慮電、熱負荷需求響應和供需雙側電、熱耦合，平滑供能側的電、熱負荷曲線，實現能源系統配置容量修正；文獻[37]以能源系統中的能量樞紐為研究對象，提出了一種計及綜合需求側響應的能量樞紐優化配置方法；文獻[38]以優化電價激勵型需求響應計劃下經濟效益和環境效益為目標，提出了一種綜合能源系統的雙目標優化模型。

上述面向能源互聯網的零碳園區IDR往往集中在確定性模型的優化。在實際中，由于園區內的氣象改變、突發事件、用戶消費心理差異等客觀因素使得需求響應存在不確定性[40]，且不同用戶的認知程度和消費行為也有較大的差異性，這導致零碳園區IDR也存在諸多不確定性[49]。因此，一些學者側重于建立IDR不確定性模型，并應用到園區的優化規劃中。例如，文獻[40]以綜合能源聚合商總收益最大為目標，構建了計及IDR不確定性的綜合能源系統優化運行模型；文獻[37]提出了一種考慮IDR的多重不確定性，并兼顧電價方案、設備選型、容量配置和運行策略的綜合能源系統規劃方法。總而言之，隨著零碳園區的結構變得越來越復雜，考慮IDR不確定性的規劃技術變得更具必要性。

2.5 考慮交通系統與能源互聯網耦合的零碳園區規劃技術

交通部門是關鍵的能源消費部門，其碳排放強度相對較高[51]。隨著電動汽車、天然氣汽車技術的發展，作為重要能源消費部分的交通系統不再是獨立的，而是與園區的電力系統緊密聯系，這使得交通系統逐漸成為零碳園區優化規劃中必不可少的一環。面向清潔能源交通的園區能源-交通耦合，從系統的角度來講，可以實現能源和交通系統結構的優化，提升系統運行水平，從用戶的角度來看園區的能源-交通耦合可靈活地規劃調整交通用能的時空分布，有助于改善零碳園區的用戶體驗[18]。

日漸融合的園區能源網和交通網是零碳園區理論中的重點關注內容。園區中儲能系統容量和能量密度不足，以及電動汽車、天然氣汽車等清潔能源車輛行駛里程短、能量補給難等問題嚴重制約其推廣與發展[18]。此外，零碳園區中源網荷電力用戶特性的變化也對能源系統的規劃帶來了新的挑戰。因此，交通能量補給設施規劃方面對于園區交通、能源系統的發展至關重要。文獻[18]以系統投資和運行費用最低為目標，考慮電網、天然氣網運行約束，提出了考慮電-氣-交通耦合的綜合能源系統規劃方法；文獻[42]提出了一種電動汽車充電站交通受限的多目標規劃方法；文獻[43]提出了一種綜合配電與電動汽車充電系統的電力多目標協同規劃策略。

2.6 零碳園區規劃模型求解方法

零碳園區包含：光伏、風力渦輪機等新能源發電設備；逆變器、燃氣鍋爐、燃氣輪機、電解水制氫、制冷機等能量轉換設備；電池儲能、氫儲能、超級電容器、冰蓄冷等儲能設備；燃氣管道、氫氣管道以及輸電線路等能量傳輸設備。這些設備數學模型具有高度的非線性與復雜性，其本質上是一個多目標非線性混合整數規劃問題，傳統的優化求解方法一般難以對其進行優化求解[3]。除了基于國內外主流的運行模擬與容量規劃軟件獲得園區的規劃結果，現代智能優化算法，例如粒子群算法[52]、遺傳算法[7]等在本領域的應用均取得了較好的效果，在處理零碳園區的優化規劃設計問題時不必考慮數學模型的復雜形式，降低了規劃問題的求解難度。

在實際的規劃設計中，更多的情況是要求將經濟性、可靠性、低碳性等目標進行綜合考慮、協調優化，在此情況下，有兩種相對成熟的解決方法：第一，將多目標優化規劃問題轉化為單目標的優化規劃問題，選擇一種評價指標作為目標函數，其他的目標可以轉化為約束條件，之后按照單目標優化問題的解決思路獲得零碳園區規劃的系統解決方案。然而，這種方法雖然可以同時考慮多個目標，但本質上還是一個單目標優化規劃問題，這導致在規劃方案的候選解獲取過程中往往更偏向于一個目標最優，而其他指標僅滿足所預設的一定條件即可，缺少了多個目標之間的權衡過程。第二，直接使用多目標優化算法進行多個目標的優化，多目標優化算法可處理零碳園區規劃問題并獲得一組非劣解集，包括多目標遺傳算法、多目標粒子群算法、多目標樽海鞘群算法等。相比于將多目標規劃問題轉化為單目標規劃問題的方法，直接對多個目標優化可以更好地權衡園區的經濟性、可靠性、低碳性等要求。此外，深度學習、遷移學習與強化學習等機器學習技術在處理多目標優化問題上具有獨特的優勢[53]。

3 零碳園區漸進規劃未來趨勢與挑戰

隨著電力產業的發展，零碳園區能源系統內的電力用戶設備的類型日趨復雜，其優化規劃的難度也會提高。在未來，其優化規劃研究的發展趨勢必將與目前的規劃方法大不相同，面臨眾多不可避免的困難與挑戰。為此，一些學者嘗試將一些新的思想引入到零碳園區的規劃建設中，這些思想與其發展趨勢和挑戰的關系如圖3所示。

3.1 共享理念下的零碳園區規劃

文獻[3]從共享理念的角度闡述了區域能源互聯網生態系統價值共創模式與機制。共享理念這一概念發展的早期廣泛應用于博弈論的能源共享模型構建、社區能源共享等領域。作為能源共享主要載體的零碳園區，完善與發展其共享理念是其必然要求，本文結合文獻[3]中的能源共享思想，闡述共享理念在零碳園區優化規劃中的益處與挑戰。

圖4 零碳園區的未來挑戰與發展趨勢的關系Fig.4 The relationship between future challenges and future trends of zero-carbon parks

零碳園區的規劃需要考慮規劃設計的全局性與層次性，要求在其優化規劃的過程中實現能源的全局共享以及多類型能源設備和負荷資源的配置。能源共享理論基于能源互聯網的物理邏輯與網格鏈接，其應用于園區能源系統規劃時可以實現能源生產、傳輸、儲存、消費各個環節的全產業鏈和全生命周期的共享，符合未來園區全方位發展的實際需要[3]。在零碳園區中，無線專網、光纖專網、小無線專網等新型物聯網技術，支撐起多種網絡彼此相互交叉融合態勢，能源與信息技術得以迅速發展，使得園區中的能源主體的產消邊界更加模糊，供與需的身份也處于動態變化中，這是能源共享理念區別于互聯網中共享經濟的重要特點，也給基于能源共享理念的零碳園區的優化規劃帶來了挑戰。

3.2 數字孿生理念下零碳園區規劃

數字孿生技術又稱為數字鏡像，是復雜物理實體從現實空間到虛擬數字空間的映射，可對物理系統實時狀態和動態特征進行刻畫和模擬[54-55]。文獻[55]闡述了數字孿生技術對于智慧城市能源互聯網的重要意義以及應用：在未來的智慧低碳城市與零碳園區的發展中，能源系統必將與智慧城市的運營管理相結合，這樣既能面向智慧城市的多樣化需求提供可定制的能源服務，又能與其他領域進行信息交互。此外，由于低碳智慧城市具有多種形式的能源與信息交互耦合的特點，在智慧城市層面的協同優化需要在數字空間中實現，大數據、人工智能等技術應用也需要基于數字空間提供的融合數據基礎和執行環境。

數字孿生的主要思想也可以為零碳園區規劃設計方面的研究提供參考。數字孿生技術中的全息全景鏡像所能提供的空間幾何信息將更加有利于零碳園區的協調規劃，實現規劃設計方案和建設實施方案的一體化。數字孿生技術中模塊化思想有助于獲取信息更豐富的規劃設計方案，使得基于數字孿生的零碳園區的系統規劃更加簡便。數字孿生為零碳園區規劃設計方案的評價提供了更加擬實的測試環境，使得規劃方案的評價更具科學性、客觀性與準確性[55]。總而言之，數字孿生技術的發展給園區系統規劃設計方案在理念與實踐兩個方面帶來了新的內涵，結合數字孿生技術的零碳園區規劃設計具有巨大潛力。

3.3 面向云儲能的零碳園區規劃

零碳園區中存在可再生能源，例如分布式光伏、風力渦輪機等發電設備。這些設備發出的電能往往具有高度的隨機性、波動性與不確定性，儲能技術可以吸收多余的可再生電能或通過負荷曲線移峰的方式來減少園區用戶的電費[56]。但當前的儲能裝置具有成本過高的問題，限制了儲能的廣泛應用與發展。目前對于零碳園區的的規劃技術，主要集中在源網荷儲各組件中的實體儲能設備，文獻[57]提出了“云儲能”的概念，其核心關鍵是將用戶側的儲能設備集中到云端，以云端的“虛擬”儲能替代實體儲能，在零碳園區能源系統背景下，云儲能的供應商利用通信系統和金融系統與云儲能中的消費者進行充放能與租賃費用等信息的傳遞與交互。

零碳園區規劃研究多數考慮實體儲能，因此面向云儲能的零碳園區優化規劃問題也應該是學者們關注的重點。例如，文獻[33]基于云儲能的提供商與消費者，考慮與云儲能租賃成本有關的租賃容量、租賃功率以及過網費用等因素，構建了云儲能系統的租賃成本模型，完成了包含云儲能的園區綜合能源系統規劃設計。該研究表明，云儲能技術對于能源互聯背景下園區中的能源提供商與消費者均具有一定益處。在成本方面，云儲能的供應商可借助實體儲能設備來降低其投資成本。此外，由于能源互聯網中實體儲能總量可低于所有云儲能用戶需求的和，進一步減小了云儲能系統提供商的投資成本。在收益方面，云儲能提供商的主要收入來自于園區用戶對云儲能的租賃費用，其提供商要求具備多源異構數據預測、分析、通信等技術。零碳園區背景下，消費者在租賃云儲能后，云儲能消費者根據當時的電價支付費用對云儲電裝置充電，其電費由云儲能提供商收取而并非售電公司，使用云儲電裝置將儲備的電能釋放不需要再繳納額外電費[33]。面向能源互聯網的零碳園區中的云儲能技術不僅僅涉及其研究框架與其在能源系統中的規劃設計研究，云儲能技術對于園區的環境、對園區能源產業的影響等都是值得關注的問題[56]。

3.4 零碳園區規劃中的技術挑戰

零碳園區規劃技術目前雖然已經有一些研究思路與先進的理念與理論。然而，目前的優化規劃方案依舊存在一些尚未解決的科學與技術挑戰：

1)“共享理念”與“數字孿生”等先進概念為綜合能源系統的規劃設計帶來新的內涵，已經具備了完整的理論體系。在已有理論的基礎上，如何進一步挖掘理念的內部機理與技術之間的聯系，搭建科學理論與園區規劃設計的橋梁，可促進上述概念在實踐中得到更加廣泛的應用。

2)零碳園區一般存在能源與信息耦合的情況，即在園區中，多類型能源用戶設備中不僅存在能量流，還有信息流的存在，盡管目前能源互聯網的部分研究涉及了這一問題，但鮮有在零碳園區規劃設計中考慮關于能源與信息耦合的運行場景及其優化規劃模型中所對應的目標與約束。

3)零碳園區的規劃設計研究涉及到管理、經濟共享、自然及社會資源等多個學科的融合，然而考慮多學科的相關優化規劃設計研究目前還較少，其關鍵在于學科交叉與融合的難度大。因此，未來的研究更需要將園區優化規劃技術與大數據、行為學、復雜網絡、人工智能等技術交叉融合，為零碳園區發展格局的研究提供重要的理論與技術參考。

4)態勢感知包括態勢覺察、態勢理解、態勢預測3個階段[58]，廣泛應用在網絡安全、軍事管理、情報學等多個領域[59]，但其在零碳園區規劃設計領域的相關研究還較少。零碳園區能源互聯網設計的范圍廣、信息量大、能源形式多樣，更加需要態勢感知技術以提升其運營與管理性能。其中態勢覺察技術可以監測能源互聯網各設備的狀態與數據，助力零碳園區高可靠性規劃設計與多類型設備的優化配置，同時提高園區的智能化水平。此外，態勢感知技術獲得的設備數據與態勢信息可為新的規劃理念的應用與多學科的交叉融合提供數據和信息基礎。

4 結 論

面向能源互聯網的零碳園區優化規劃是支持碳達峰和碳中和目標實現的關鍵一步。盡管國內外眾多學者及研究機構開展了零碳園區優化規劃工作，但相關研究遠未達到成熟階段。本文以零碳園區優化規劃設計為研究對象，闡述了零碳園區的內涵框架、總結了其優化規劃的關鍵技術與未來發展趨勢和挑戰，以期為學者們對于零碳園區的研究提供參考依據，主要結論如下：

1)當前面向能源互聯網的零碳園區規劃設計研究具有技術成果豐富化、技術角度多樣化的特點，包括能源-交通系統耦合、多能互補、能量梯級利用、需求響應、漸進式規劃等園區規劃相關的關鍵技術，呈現出百花齊放、百家爭鳴的發展態勢。

2)盡管當前零碳園區規劃設計技術多樣，但零碳園區的電力能源供應具有源網荷儲強不確定性、一二次拓撲結構復雜多樣等特點，現有的規劃技術依舊較難滿足其應用需求，需要探索零碳園區的多階段漸進式演進發展路徑。

3)共享理念、數字孿生等概念，云儲能、態勢感知等技術可被應用在零碳園區的規劃設計中。在原有理論的基礎上，深入挖掘概念與技術之間的影響機理，并將新概念、新技術與園區規劃實踐相結合，是進一步促進零碳園區規劃設計經濟技術合理性的核心關鍵。

4)零碳園區的規劃設計可與管理、經濟共享、自然及社會資源等多個學科融合，但交叉學科融合難度大。因此，迫切需要國內外學者們在未來園區規劃中結合人工智能、行為學、復雜網絡等其他學科領域新技術，探索出新的零碳園區發展模式與演進路徑。