双碳目标下低碳综合能源系统规划关键技术及挑战

张沈习，王丹阳，程浩忠，宋 毅，原 凯，杜 炜

（1. 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室（上海交通大学）,上海市 200240；2. 国网经济技术研究院有限公司,北京市 102209；3. 国电南瑞科技股份有限公司,江苏省 南京市 211106）

0 引言

工业革命以来,温室气体大量排放导致气候形势日益严峻,低碳发展成为世界各国应对气候变化的必由之路［1-2］。在全球低碳转型进程中,美国、日本、加拿大、欧盟等发达国家和组织纷纷制定气候战略,承诺于2050 年实现CO2净零排放。中国不断提高国家自主贡献力度,在2020 年9 月宣布力争2030年前实现“碳达峰”,2060 年前实现“碳中和”,双碳目标昭示着中国在低碳发展道路上进一步加速。

为实现低碳发展,在碳排放中占比较大的能源行业成为节能减排的主力军［3］,具有多能互补、能源梯级利用［4］等优势的综合能源系统是能源行业低碳转型的重要解决方案。在中国,自综合能源系统写入“十三五”规划以来,天津中新生态城、江苏同里综合能源服务中心、上海崇明岛等多个综合能源示范工程均证实了综合能源系统在节能减排方面的潜力［5-6］。能源发展“十四五”规划强调继续推动综合能源系统积极有序发展,促进“用能场景的智慧化和绿色化提升”［7］。2019 年欧盟提出的“欧洲绿色协议”［8］、2020 年日本提出的“绿色增长战略”［9］等多个组织和国家的低碳发展战略也明确了综合能源系统的重要价值。在降碳要求不断提高的背景下,如何深度推进能源系统减排进程,实现经济目标和环境目标的兼顾,成为当下的重要议题。因此,亟须对低碳综合能源系统展开深入研究。综合文献［3］对低碳多能源系统研究框架的评述、文献［10］对电力系统低碳化关键要素的分析、文献［11］对多能互补思想的阐述等,笔者认为低碳综合能源系统是通过集成碳捕集技术、提高非碳能源比例、充分调动源-网-荷-储各能源环节灵活性资源等方法,主动或被动降低碳排放的多能源系统形态。低碳综合能源系统具有以下特点:1）通过碳捕集技术提高化石能源燃烧效率,捕集能源转换过程中释放的CO2进行封存或再利用,从而直接降低碳排放［12］；2）利用电/气/热/冷多元储能［13-14］、需求侧管理［15］、能源-信息-交通多系统互联互动［16］等方式深度挖掘灵活性资源,提升能效,促进可再生能源消纳,进而间接降低碳排放；3）依托碳市场机制设计［17-18］、碳市场和能源市场的协同互动［19］等市场调节手段,充分调动各主体的减排积极性,促进能源系统降碳。

各种低碳要素的引入必然对低碳综合能源系统规划产生深刻影响。在实际规划过程中,如图1 所示,可将规划对象根据地理范围和能源发/输/配/用特性［11,20-21］分为跨区级低碳综合能源系统、区域级低碳综合能源系统和用户级低碳综合能源系统。其中,跨区级低碳综合能源系统主要涉及电、气两种能源形式,具有能源大规模生产和远距离传输的作用；集成了以集中式风光场站、加装碳捕集设备的大型综合能源站为代表的产能单元,季节性储能为代表的储能单元,输电线路、输气管道、交通网络为代表的能源远距离传输单元等。区域级低碳综合能源系统包含的异质能源种类最为丰富,主要有能源分配、转换、传输的作用；集成了中小型风光、生物质、地热等分布式清洁能源,多元储能设备,经多种能源转换设备深度耦合的电/气/热/冷能源传输网络,基于能源、信息、交通多系统互联互动的综合需求响应体系等。用户级低碳综合能源系统直接为终端用户供能,与建筑被动节能设计密切相关,是低碳建筑的重要组成部分；集成了小微型风光、地热等清洁能源和小型电储能、蓄热罐等储能设备,用户用能行为的变化往往对系统整体造成显著影响,“源荷”波动性和随机性较大。

图1 不同层级低碳综合能源系统示意图Fig.1 Schematic diagram of low-carbon integrated energy system at different levels

目前,国内外针对低碳综合能源系统规划已经展开了部分研究,但是缺少系统性的梳理和归纳。本文首先对现阶段能源转型目标和路径优化方法进行总结,之后归纳分析了碳捕集技术建模方法和不同能源环节的可再生能源消纳技术；然后,根据跨区级、区域级、用户级低碳综合能源系统的不同特点分别评述了不同层级低碳综合能源系统规划的研究现状；最后,对低碳综合能源系统规划发展中可能面临的挑战进行了展望。

1 能源转型目标及路径优化分析

2020 年9 月,中国提出“碳达峰”“碳中和”的战略目标。然而,由图2（数据来源:波茨坦气候影响研究所）可以发现,相比于部分发达国家,中国碳排放总量较大,“碳达峰”到“碳中和”的时间更紧、减排任务更重,双碳目标的实现面临诸多挑战。作为碳排放的主要来源之一,能源行业被普遍认为是实现深度减排的关键［22］。能源转型的根本目标在于构建清洁、低碳的新型能源体系［23］,具体表现为一次能源清洁化、终端能源电气化和多能互补互济。

图2 各国“碳达峰”“碳中和”时间节点Fig.2 Time points of“carbon emission peak”and“carbon neutralization”in various countries

针对中国目前能源结构偏煤、能效偏低的特点［24］,国内学者在能源转型路径优化分析上开展了大量研究。文献［25］利用电力行业长期规划与短期运行联合优化模型,研究了4 种不同排放目标下电力行业的低碳转型路径,并针对转型过程中可再生能源扩张、煤电提前退出、碳捕集技术应用和转型投资保障4 个关键问题做出进一步分析。文献［26］结合中国城市化进程不断加速的具体国情,对城市能源系统在能源转型过程中的形态演化路径进行分析,指出了未来城市能源系统分区互联化的发展方向。文献［27］构建了计及多能耦合转换、储能等新能源多元化利用方式的全链条技术经济评价模型,对能源系统低碳发展的常规路径、电-氢协同路径和电-氢-碳协同路径进行对比分析,强调了未来电制氢、电制甲醇等P2X 技术的重要调节作用。

除能源行业整体转型路径优化的相关研究外,也有部分学者针对清洁能源替代、碳捕集技术的应用等具体某一方面的发展进行了路径分析。在清洁能源替代方面,文献［28］基于实际运行数据,从电力平衡和电量平衡两方面分析了能源转型道路上包含储能、需求侧资源在内的多时间尺度调节体系对于新能源替代的关键作用；文献［29］针对国内水电发展的路径优化问题,建立了考虑碳排放约束、政府政策等不同场景下的系统动力学模型,并对比了不同因素对水电发展的影响。在碳捕集技术的应用方面,文献［30］梳理了中国碳捕集和封存利用（carbon capture,utilization,and storage,CCUS）技术的发展现状,对2025—2050 年CCUS 技术的产业化能力、部署规模等方面的发展进行了路径优化；文献［31］参考国际经验,对中国CCUS 项目与碳交易市场衔接路径进行分析,提出建立CCUS 项目减排证书制度、配额拍卖补贴机制等建议。在碳市场机制设计方面,文献［32-33］基于信息论和行为学对碳市场风险及控制方式进行了框架设计,并参考沙盘推演理念,利用模拟仿真方法对碳市场发展路径进行推演。

此外,自然碳汇手段也是中国低碳化转型道路上的重要措施之一。目前中国的自然碳汇市场以森林碳汇为主,草原、湿地、海洋等其他自然碳汇手段仍处于起步阶段。在能源行业低碳化转型的道路上,主要可通过碳汇市场利用自然碳汇手段:文献［34］基于实际调研数据建立Heckman 两阶段模型,证明了控排企业倾向使用林业碳汇减排量的意愿；文献［35］利用罗宾斯泰因模型分析了基于火电厂减排需求的森林碳汇价格最终决定机制,为自然碳汇市场价格制定提供了新途径。

2 碳捕集技术建模及可再生能源消纳技术

国际能源署（International Energy Agency,IEA）指出,应对气候挑战的主要手段包括发展清洁能源、提高能效和CCUS［36］。集成高比例多类型清洁能源的低碳综合能源系统,一方面通过多能互补促进能源利用的提质增效,另一方面合理配置碳捕集设备主动捕集CO2,实现了IEA 所提减排手段的有机结合。

在具体减排要素方面,如图3 所示,不同能源环节、不同层级低碳综合能源系统有所不同。在能源系统低碳化进程中,跨区级低碳综合能源系统由于能源生产、传输规模较大,具有较高的减排潜力:如在能源生产方面,通过集成大规模风光场站、碳捕集电厂（carbon capture power plant,CCPP）等,逐步替换传统火电厂等碳排放较高的传统产能单元；针对风光出力的间歇性和随机性,配备大规模季节性储能,促进可再生能源消纳。区域级低碳综合能源系统源-网-荷-储各能源环节灵活性资源丰富,特别是能源系统与信息系统、交通系统互动频繁,潜在的需求响应资源十分庞大；丰富的灵活性资源在促进风光、地热、小水电等多类型可再生能源就地消纳的同时,还有利于提高区域能源利用效率,从多角度降低区域碳排放。用户级低碳综合能源系统用能规模往往较小,减排潜力也因此受限,主要利用建筑被动节能措施和能源系统协同设计、可再生能源建筑一体化技术等手段实现减排。

图3 低碳综合能源系统关键要素Fig.3 Key elements of low-carbon integrated energy system

本章将关键减排要素分为通过碳捕集主动减排和通过促进可再生能源消纳间接减排两大类,总结了碳捕集技术建模方法及其在低碳综合能源系统中的典型应用场景,并从源-网-荷-储4 个方面归纳了促进可再生能源消纳的具体技术,能够为不同层级低碳综合能源系统规划的研究提供支撑。

2.1 碳捕集技术建模及应用场景

2.1.1 碳捕集技术建模方法

理论上,低碳综合能源系统中涉及化石燃料燃烧的环节均可加装碳捕集设备。碳捕集技术一般分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧3 类［30］。其中,燃烧后捕集技术发展较为成熟、应用相对广泛、商业化程度较高［37］。目前,针对电力系统中的碳捕集电厂已经进行了深入研究,其基本建模方式如下［38-39］:

在碳捕集电厂总发电功率一定时,调节碳捕集水平β可改变其净输出功率。在实际运行中,可通过分流模式或溶液存储模式迅速调节碳捕集水平,在碳捕集电厂总发电功率不变的情况下快速改变净输出功率,提高其下调峰深度,进而为电力系统提供调峰、负荷跟踪等辅助服务［41］。

现有研究中,在进行碳捕集系统规划时通常考虑投资成本、运行成本和捕集后的CO2运输及封存成本。其中,投资成本与运行成本建模方面,可分为对碳捕集电厂发电成本整体建模［42］和对碳捕集设备投资及运行成本单独建模［43］两种方式。文献［42］在传统火电厂发电成本模型的基础上,推导了碳捕集电厂相对常规火电厂的发电成本增量系数；文献［43］考虑了整体煤气化联合循环发电厂、常规燃煤电厂和天然气联合循环电厂中加装碳捕集设备类型的不同,并对相应碳捕集设备投资成本和运行成本进行建模。对于捕集后CO2运输及封存成本的计算,既存在以CO2捕集量为变量,对运输及储存整体成本进行估算的方式［44］；也有根据运输距离计算管道运输成本［43］或其他运输方式的CO2运输成本［45］,根据CO2封存量计算CO2封存成本［46］等单独计算运输及封存成本的计算模型。除碳捕集的各项成本外,文献［43-44］在建模过程中还考虑了捕集后的碳利用收益:通过参考美国碳捕获与封存税收优惠政策,根据CO2的不同利用方式确定每吨CO2的利用收益。如用于提高化石燃料采收率和地质封存的CO2,每吨分别可享受31.77 美元和20.22 美元的碳利用收益；对于其他有效利用方式,如用作化工原料、食品的冷藏储运等,每吨CO2也可享受20.22 美元的收益。

2.1.2 碳捕集技术的典型应用场景

在低碳综合能源系统背景下,碳捕集技术与各类能源形式的耦合更加深入。一方面,在低碳综合能源系统中,碳捕集技术的应用范围得到进一步拓展:天然气去碳［47］、生物质燃料去碳［48］、生物质结合煤气化联合循环发电［49］燃烧前捕集技术在低碳综合能源系统中的应用日益广泛,提高了综合能源系统产能设备的清洁性；富氧燃烧电厂通过空分制氧装置和储氧罐协同优化实现调峰［12］,且可通过合理配备余热回收装置进一步降低成本。另一方面,碳捕集技术结合多能转换,有利于提高系统灵活性,促进可再生能源消纳。其中,碳捕集电厂结合电转气（power to gas,P2G）成为典型的应用场景:配备碳捕集设备的煤电厂［39,50］、燃气电厂［51］利用捕集的CO2和P2G 设备生产甲烷和氢气,实现能源系统内的碳循环利用；同时,CCPP-P2G 结合储气罐协同优化可提高系统消纳可再生能源的能力。另外,也有部分研究探索了碳捕集电厂与冷热管网耦合提升能效的方式。文献［52］通过CCPP-P2G 与液化天然气（liquefied natural gas,LNG）气化站相配合实现电/气/冷网联合优化,碳捕集设备捕集的CO2既供给P2G,也利用LNG 气化冷能制备液态CO2和干冰,在提高冷能利用率的同时降低弃风量。文献［53］在电-热综合能源系统中加装碳捕集装置,提高机组下调峰能力,同时通过电锅炉与储热装置协调供热打破热电联产机组“以热定电”的刚性约束,促进风电消纳。

2.2 可再生能源消纳技术

可再生能源往往具有较强的随机性和间歇性。在能源系统低碳化进程中,为应对大规模可再生能源接入带来的挑战,低碳综合能源系统可充分调动各个能源环节的灵活性资源,如图4 所示。通过利用多源互补、灵活性网络资源、综合需求响应以及多元储能等,平抑可再生能源带来的波动,促进可再生能源消纳。

图4 低碳综合能源系统灵活性资源Fig.4 Flexible resources of low-carbon integrated energy system

2.2.1 源侧支撑可再生能源消纳

低碳综合能源系统源侧主要通过多源互补促进可再生能源消纳,多源互补的具体建模方法可分为多区域协同建模和多种能源形式协同建模。

多区域可再生能源在源侧的协同建模通常应用于集成大规模风-光-水等可再生能源的跨区级低碳综合能源系统:一方面,地理位置远距离分散的同种可再生能源往往具有互补效应,如不同区域风电场出力汇聚后产生平滑效应［54］；另一方面,不同地理区域可再生能源资源禀赋通常不同,风、光、水等可再生能源协同建模有助于在日内及日间、季节等多个时间尺度实现互补［55-56］,在整体上缓解可再生能源出力随机性对能源系统造成的冲击。

多种能源形式在源侧的协同建模更多应用于集成了风光、地热、生物质、氢能多种中小型分布式可再生能源的区域级低碳综合能源系统。通过太阳能和地热能耦合［57］、太阳能和生物质能耦合［58］等多种可再生能源协同规划、调度,克服可再生能源间歇性出力的缺点。多种可再生能源协同建模虽然在一定程度上提高了计算模型的复杂性,但有助于平抑可再生能源出力的波动,提高可再生能源消纳量,实现经济性与环保性的兼顾［59］。

2.2.2 网侧支撑可再生能源消纳

低碳综合能源系统网侧主要利用供能网络的灵活性促进可再生能源消纳,具体可分为计及能源网自身灵活性建模和考虑能源网与交通网、信息网协同建模两种方式。

在高比例可再生能源参与供能的低碳综合能源系统背景下,对能源网建模时可充分利用电网重构、气热（冷）管网管存特性等电/气/热/冷能源网络自身的灵活性资源,提高系统调峰能力和供能可靠性,如文献［60］在基于信息间隙决策理论考虑电、气负荷不确定性的前提下,利用电力传输线重构扩大优化空间,以应对多能负荷的波动；文献［61］基于天然气传输的动态特性方程和流量平衡方程,利用隐式差分方法推导了天然气管网储能特性应对负荷波动的缓冲机理；在热网储能特性建模方面,文献［62］建立了考虑空间时间多尺度补偿的供热机组锅炉和热网储能模型；文献［63］引入热网影响因子改进换热段温度计算,建立可在机组故障停机工况下计算热网储能供能可持续时间的热网储能计算模型。利用气热管网的储能特性,可缓解“源荷”波动对供能网络的冲击,促进可再生能源消纳。

考虑能源网与交通网、信息网协同建模时,水运网［64］、铁路网［16］运输液化燃气,数据负载空间调度转移数据中心用能负荷［65］等方式可作为供能管线的补充,直接或间接实现能源空间传输,在宏观上提高供能网络的灵活性。深入挖掘网侧的灵活性资源,有助于缓解高比例可再生能源接入带来的供能网络阻塞、调峰调频灵活性资源不足等问题,从而促进可再生能源消纳。

2.2.3 荷侧支撑可再生能源消纳

低碳综合能源系统荷侧主要通过多能负荷的综合需求响应促进可再生能源消纳。在对多能负荷单独建模时,可考虑不同能源形式负荷在负荷波动频率、用户容忍度范围、用能量等方面的不同特征,如热负荷相比电负荷通常惯性较大、波动频率较低、需求响应潜力更大［66］。在对多能负荷整体建模时,一方面,不同区域多能负荷的用能高峰并不完全相同,可在考虑多能负荷时序互补特性的基础上,进一步分析多能负荷的空间互补特性［67］,减小整体峰谷差率。另一方面,不同能源形式的需求响应也存在耦合,在削减某一类负荷时可能影响其他多能负荷用能量。针对此问题,文献［15］利用可转换负荷模型进行建模,也可通过建立耦合响应特性矩阵描述多能负荷的耦合效应［68-69］。建立准确合理的综合需求响应模型,有助于激发低碳综合能源系统荷侧的灵活性,提高系统消纳可再生能源的能力。

2.2.4 储侧支撑可再生能源消纳

低碳综合能源系统储侧的多元储能设备是促进可再生能源消纳的重要环节,根据研究目标的不同可从以下几方面进行建模:1）考虑不同能源形式互补建模,如文献［70］针对区域级低碳综合能源系统中的电/热/冷储能装置统一建模,相比单独建模实现了更低的运营成本与碳排放；2）不同时间尺度互补建模,如文献［71］针对季节性储能时间尺度与系统运行时间尺度不一致的问题,提出了一种运算较为简洁的多时间尺度建模方法,并验证了耦合季节储能对综合能源系统减排的积极作用；3）储能与清洁电源、能源转换设备等其他能源环节协同建模,如文献［72］建立了一种风-核-氢非碳能源系统,通过电解水制氢消纳多余风电,同时储氢罐中的氢能可作为一种绿色的调峰资源。因此,在对低碳综合能源系统中储能设备进行建模时,充分考虑不同能源形式、不同时间尺度、不同应用场景下多元储能间的互补效应,有助于平抑可再生能源随机性造成的供能波动,促进可再生能源消纳。

3 跨区级低碳综合能源系统规划

跨区级低碳综合能源系统规划主要解决的问题是通过大型综合能源站的选址定容、长距离能源传输管线的路径、型号选择,高效经济地实现绿色能源的大规模生产和远距离传输。如图5 所示,大型综合能源站的典型元素包括碳捕集电厂、大型风光场站、储气库群、以抽水蓄能为代表的大型电储能等；长距离能源传输管线既包括输电线、输气管道等传统的能源传输管线,也涵盖了可用于能源运输的电气化交通线路。在规划时,通过集成高比例清洁能源、碳捕集技术,可在能源生产环节实现有效减排；而合理规划长距离能源传输管线和大型储能站则有助于克服可再生能源在时间、空间上分布不均衡的问题,促进高比例可再生能源的消纳。

图5 跨区级低碳综合能源系统规划关键元素Fig.5 Key elements of cross-regional-level low-carbon integrated energy system planning

跨区级低碳综合能源系统规划模型中目标函数的计算、碳排放约束的设置等均需先对系统碳排放量进行核算。由于跨区级低碳综合能源系统主要承担能源大规模生产和远距离输送的责任,因此跨区级低碳综合能源系统碳排放核算方法大多从源侧出发:如文献［73］基于碳排放系数法,利用不同碳排放水平供能主体的碳排放系数计算系统碳排放；文献［74］进一步考虑了供能主体低碳化改造过程对碳排放系数的影响；此外,也可通过全生命周期法［75］对不同供能主体各阶段碳排放进行计算。

3.1 计及碳捕集的跨区级低碳综合能源系统规划

当前碳捕集设备的投资成本、运行成本仍相对较高,大型碳捕集电厂因规模效应在技术经济性上具有更明显的优势。因此,在跨区级低碳综合能源系统规划中考虑集成碳捕集设备更具现实意义。

含碳捕集设备的电力系统规划已经在碳捕集装置、碳捕集电厂、含碳捕集电厂的电力系统等方面开展了一系列研究。在碳捕集装置容量规划方面:文献［42］考虑了多种碳捕集技术对火电厂能耗和发电成本的不同影响,文献［46］引入技术成熟度因子衡量碳捕集技术发展的阶段性和不确定性。在碳捕集电厂规划方面:文献［76］在计及燃料来源、电力负荷、CO2封存地点等因素的基础上对碳捕集电厂选址进行规划；文献［77］考虑了碳捕集技术在不同阶段投资成本的变化,将碳捕集机组和碳捕集预留机组同时作为待规划机组,以较小的投资成本增量为碳捕集设备预留接口。在计及碳捕集的电力系统规划方面:文献［78］在考虑碳排放约束和碳排放交易收益的前提下对多区域电力系统的电源容量及区域间联络线容量进行协同规划；文献［79］建立考虑老化火电厂关停或加装碳捕集设备翻新改造的清洁能源发输电多阶段扩展规划模型。

尽管目前集成碳捕集设备的电力系统规划已经进行了大量研究,但集成碳捕集设备的低碳综合能源系统规划研究才刚刚起步。考虑到天然气是相对清洁的化石能源,且燃气电厂启停快、调峰能力强,是可再生电力上网的重要支撑。因此,碳捕集结合燃气电厂是低碳综合能源系统中碳捕集设备应用的典型场景。计及碳捕集的跨区级低碳综合能源系统规划相比传统跨区级综合能源系统规划主要发生以下改变:1）设备间耦合结构更复杂,如碳捕集设备捕集的CO2可作为P2G 生产甲烷的原料,与传统跨区级综合能源系统相比［80］,增强了燃气轮机与P2G 设备间的耦合程度；2）系统不确定性增强,集成碳捕集设备后,能源系统实际减排量的核算、碳市场与能源市场间博弈对碳交易价格和能源价格的影响等均为规划模型引入了新的不确定因素；3）求解难度提升,集成碳捕集设备之后,碳捕集设备类型的选择、运行状态的调整为规划模型引入大量0-1 变量；考虑各类不确定因素需在规划模型中应用多场景分析、随机规划、鲁棒规划等方法；计及碳捕集设备的调峰特性则可能涉及小时级别的运行工况模拟；以上因素均加大了求解难度。

3.2 含高比例清洁能源的跨区级低碳综合能源系统规划

为促进能源系统降碳,风光等可再生能源发电比例不断提高。由于风光发电容量系数较低,若使风光发电满足大部分负荷需求,清洁能源电力装机容量需远超负荷峰值。在此背景下,含高比例清洁能源的跨区级低碳综合能源系统在日内运行时需充分消纳大量过剩电力,及时提供足够备用容量,在长时间尺度上需解决季节性电力电量不平衡等问题。为应对大规模风光场站接入后带来的一系列挑战,在跨区级低碳综合能源系统能源站规划、能源网规划、“站网”协同规划时可从多个维度出发提高可再生能源消纳水平。

跨区级低碳综合能源系统能源站规划方面,可分为在给定能源站结构的基础上进行站内设备容量规划和考虑能源站结构可变的站内结构-容量联合规划两大类。进行站内设备容量规划时,大多利用能源母线或能源集线器模型［81］对综合能源站进行建模；进行能源站结构-容量联合规划时,则多基于图论［82］、分层模型［83］等能源站标准化建模方法。在低碳应用场景上,一方面可以从“源”的角度出发,对煤电进行以灵活性提升为目的的扩展规划［84］,提高燃气轮机、碳捕集电厂等灵活性电源比例［85］；充分利用可再生能源出力平滑效应,进行多区域能源站协同规划。另一方面,各类储能系统是跨区级低碳综合能源系统能源站的重要规划对象。短时间尺度上,合理配置电化学储能、飞轮等秒级或分钟级储能设备,可在短时间内平抑风光出力波动；日内或日间尺度上,除压缩空气储能、抽水蓄能等电储能设备外,还可规划储热装置,文献［86］通过在电-热综合能源系统中配置电热混合储能系统,提高热电联产调峰深度,促进风电消纳；文献［87］对光热电站中储热容量进行规划,利用储热设备平滑光热电站功率输出。季度或年等长时间尺度上,长期存储电能成本较高、损耗较大,通过规划P2X 设备和储气设备,将电能转换为天然气［51］、氢能［63］、氨气［88］等便于储运的化工产品长期存储,既可直接供给多能负荷,也可用于低碳发电、供热,进而缓解可再生能源季节性不平衡现象。此外,也存在清洁电源、储能、多能转换设备协同规划模型［89-90］,在整体上提高跨区级低碳综合能源系统能源站的灵活性,减少因能源传输导致的损耗,促进可再生能源消纳。

跨区级低碳综合能源系统能源网规划方面,由于清洁能源富集地和负荷中心往往跨区域分布,跨区级低碳综合能源系统需借助交直流输电、天然气管网、交通运输网等对能源进行大规模远距离传输,对跨区级低碳综合能源系统能源网络进行规划时,可从以下几个方面提升可再生能源消纳能力:1）充分利用电力系统中传输线重构等网架结构优化方法,如文献［60］构建了计及电力传输线重构及电、气负荷不确定性的跨区级综合能源系统多目标扩展规划模型,优化电-气能源网络规划方案；2）充分利用燃气传输管道管存特性,燃气气流在管道中传输慢、惯性大的特点使得天然气管网表现出日调节级别的储能能力,在规划时考虑输气管道的管存特性有助于缓解可再生能源出力不足或过剩时产生的波动［61］；3）充分考虑能源网与交通网、数据网的协同规划,交通网方面,跨区级低碳综合能源系统可利用水运网、铁路网运输液化天然气、氢能等,既优化输气管道建设,又促进可再生能源消纳；数据网方面,利用数据中心用能负荷的空间转移代替多能负荷的传输,可在缓解输电线路阻塞的同时平抑可再生能源的波动。

跨区级低碳综合能源系统“站网”协同规划方面,目前相关研究较少,但含高比例可再生能源的跨区级低碳综合能源系统“站网”协同规划有利于优化资源配置,在促进可再生能源消纳的同时实现最优的经济和环境效益。在具体规划中,一方面应注意到能源站与能源网投资主体往往不同,需考虑不同投资主体之间的博弈关系,采用分布式的规划方法；另一方面,在含高比例可再生能源的跨区级低碳综合能源系统中,可再生能源出力的不确定性将对“站网”规划产生显著影响,文献［91］基于条件风险价值模型描述风电出力的不确定性,建立跨区级低碳综合能源系统“站网”随机规划模型；除随机规划模型外,针对不确定性问题还可考虑计及多源协同的鲁棒规划、自适应鲁棒规划模型等,提高优化决策的经济性和可靠性。

4 区域级低碳综合能源系统规划

区域级低碳综合能源系统规划要解决的问题是如何通过对综合能源站、多类型分布式清洁能源、多元储能及能源输送管线的优化设计,充分利用区域级低碳综合能源系统多能互补的优势和丰富的灵活性资源,促进清洁能源消纳,在各层级能源系统减排进程中发挥好“承上启下”的作用。如图6 所示,区域级低碳综合能源系统的规划对象既包括风、光、小水电、生物质、地热、氢能等多元化的中小型分布式清洁能源生产转换单元,也包括电/气/热/冷多类型的储能单元和能源输送管线；此外,由于区域级低碳综合能源系统与市政交通网、数据网的融合更加深入［20］,在规划中也存在综合能源站与电动汽车充能站、数据中心等“多站合一”的规划方式。

图6 区域级低碳综合能源系统规划关键元素Fig.6 Key elements of district-level low-carbon integrated energy system planning

碳排放量核算是区域级低碳综合能源系统规划的基础。区域级低碳综合能源系统源-网-荷-储各能源环节互动频繁,因此,在对区域级低碳综合能源系统碳排放量进行核算时,既可从能源供给端出发,利用碳排放系数法［73］、全生命周期法［75］等方法计算区域级低碳综合能源系统碳排放；也可从能源消费端出发。如文献［92］针对电力系统提出的碳流分析法,在计算系统碳排放的同时兼顾了系统运行特性和网络特性；文献［93］基于天然气碳排放因子对天然气系统碳流进行计算,将碳流分析法进一步推广到电-气互联综合能源系统。

4.1 计及多类型分布式清洁能源的区域级低碳综合能源系统规划

虽然清洁能源增长以风光为主,但区域级低碳综合能源系统中通常还因地制宜集成小水电、生物质热电联产机组、地源热泵等其他中小型分布式清洁能源。多类型的中小型分布式清洁能源有利于实现源侧互补,平抑单一类型清洁能源出力的波动性:文献［94］针对独立农业设施提出了一种耦合风、光、地热的冷热电联供（combined cooling,heating and power,CCHP）系统容量规划模型,并分析了季节差异对设备容量的影响；文献［57］建立了集成太阳能和地热能的CCHP 系统,根据季节和电价优化地源热泵出力比,提高系统灵活性,促进清洁能源消纳；文献［95］对集成生物质热电联产机组、光伏、地源热泵等清洁能源转换设备的区域综合能源系统设备容量进行规划,得出了多种清洁能源综合供能模式可大幅降低碳排放,提高能源利用效率的结论。另外,作为高效的非碳能源,氢能在区域级低碳综合能源系统中的应用日益广泛。一方面,电解水制氢可消纳多余的风光发电,将电力以氢能的形式存储,如文献［96］基于全生命周期法,构建了以全生命周期成本最低和年CO2排放量最小的多目标规划模型,对电氢转换储能系统、风机、光伏等设备容量进行规划；文献［97］设计了一种风-光-氢-燃气轮机联合供能系统,建立计及“源荷”不确定性和主要设备N-1 的低碳综合能源站鲁棒规划模型,并利用列与约束生成（column-and-constraint generation,C&CG）算法求解,验证了季节性储氢和电解槽热回收对促进可再生能源消纳的积极作用。另一方面,氢能作为一种清洁的二次能源,既可为氢内燃机供能,也可转化为天然气、氨等其他燃料。文献［98］设计了氢基综合能源系统与运输系统协同规划模型,通过燃料电池电动车、氢燃料站、地下储氢库等促进能源、交通系统联合去碳。

目前,国内外计及多类型分布式清洁能源的区域级低碳综合能源系统规划示范项目有不少已经落地或在建,如中国苏州同里综合能源服务中心示范工程、安徽小岗村美丽乡村综合智慧能源示范项目、加拿大耶洛奈夫镇项目、瑞士未来能源网络项目等。其中,大多数项目都通过集成风光发电、地源热泵、太阳能热水提升清洁能源利用比例,也有部分项目因地制宜利用其他分布式清洁能源,如中国安徽小岗村美丽乡村综合智慧能源示范项目针对乡村生物质资源丰富的优势,建设了生物质能源站；加拿大耶洛奈夫镇项目因地制宜增设海水源热泵和潮汐能发电等。

4.2 计及多类型灵活性资源的区域级低碳综合能源系统规划

随着可再生能源比例的增长,区域级低碳综合能源系统中“源荷”不确定性不断增强,充足的灵活性资源有利于保障能源安全、可靠、绿色供给。区域级低碳综合能源系统集成多种能源形式,具有复杂多样的互动机制和互联形态,多元储能、综合需求响应等灵活性资源丰富。在规划过程中充分挖掘灵活性资源潜力,有助于减少投资,促进可再生能源消纳,兼顾经济性和环保性。

在计及多元储能的区域级低碳综合能源系统规划方面,部分研究对储能设备容量进行规划,以提高能源转换设备调峰深度,促进不同时间尺度下的可再生能源消纳:如文献［99］在电/气/热协同调度系统中建立了考虑弃风率的蓄热罐容量规划模型,并分析了P2G 热回收对蓄热罐容量规划的影响；文献［70］考虑了电能存储的无功功率和多种储能效率对区域级低碳综合能源系统能源利用效率的影响,进行电/热/冷储能协同优化配置,较分别优化单一能源形式的储能进一步降低系统碳排放。另外,还有部分研究考虑多元储能装置与能源转换设备的协同规划,在整体上降低CO2排放,如文献［100］建立了考虑P2G 和电/热/氢多元储能的区域级低碳综合能源系统规划模型,验证了P2G 及多元储能协同促进系统节能减排的效果。

在计及综合需求响应的区域级低碳综合能源系统规划方面,目前的研究大致可分为两类:部分研究根据多能负荷参与需求响应的方式建立不同的需求响应模型,分析综合需求响应对规划的影响,如文献［101］将柔性多能负荷分为可削减负荷、可转移负荷和可替代负荷,基于证据理论提出一种考虑需求响应不确定性的综合能源系统协同优化配置方法,有效实现削峰填谷。另外,还有部分研究以综合需求响应为纽带,在规划时考虑区域级低碳综合能源系统与交通、信息等其他系统的互联互动。在能源、交通系统互动方面,通过能源站耦合电动汽车充电站［102］、天然气汽车充气站［103］；在考虑交通流量调度的前提下,对多区域能源站站内设备容量协同规划,可缓解清洁能源汽车无序充电/气加大负荷峰谷差的问题,降低区外购能,促进清洁能源就地消纳。在能源、信息系统互动方面,文献［104］通过考虑数据负载平移和建筑热惯性挖掘数据中心电-热综合需求响应潜力,实现能源站站内设备容量的优化。另外,还有研究考虑区域级低碳综合能源系统与智慧物流中心协同规划,如考虑LNG 冷能为冷链物流中心供冷［105］,可显著提升能效,大幅降低碳排放。

在计及多元储能、综合需求响应等多种灵活性资源的区域级低碳综合能源系统规划方面,规划模型中可能考虑包括多元储能和综合需求响应在内的多种灵活性资源,如文献［106］在双层随机规划模型中引入了多元储能和电-热综合需求响应,并利用多场景理论考虑了多能负荷及综合需求响应的不确定性,促进分布式可再生能源消纳；文献［107］建立了数据中心与电池储能的一体化选址定容规划模型,有效提升了时间和空间上的灵活性；文献［108］在计及可削减负荷参与综合需求响应的同时,在城市多能源配电网扩展规划模型中引入小时级别的配电网重构,提高系统调峰能力。通过充分挖掘多类型灵活性资源,有利于平抑可再生能源接入区域级低碳综合能源系统造成的波动,解决高比例清洁能源消纳难题。

目前,不少计及多类型灵活性资源的区域级低碳综合能源系统规划项目已经投入运行或在建,极大地提升了区域能源利用效率,并从多方面带来综合收益:如利用区域能源管理系统进行分布式能源、储能和需求侧管理的日本柏叶智慧城市项目；集成电储能、电动汽车、分布式光伏和微型热电联产的美国山核桃街项目；中国合肥集光伏电站、储能站、5G基站、电动汽车充电站、数据中心、换电站、北斗地基增强站功能为一体的“多站融合”项目；集成了综合能源站、LNG 汽车加气站、LNG 渔船加注站的中国青岛董家口冷链物流基地LNG 综合能源中心项目等。

5 用户级低碳综合能源系统规划

用户级低碳综合能源系统规划需要解决的主要问题是如何通过对建筑内小微型能源转换设备、储能设备及用能设备的选型定容,在考虑用户用能及建筑特性的前提下,提升清洁能源比例、节约建筑能耗,从而降低用户级低碳综合能源系统的碳排放。如图7 所示,用户级低碳综合能源系统的规划对象主要为建筑范围内的风、光、地热等小微型清洁能源,热水罐、小型电储能等储能设备；此外,也有可能通过用户级低碳综合能源系统和低碳建筑元素联合规划,在整体上实现节能低碳。

图7 用户级低碳综合能源系统规划关键元素Fig.7 Key elements of user-level low-carbon integrated energy system planning

在对用户级低碳综合能源系统进行规划之前,应首先明确用户级低碳综合能源系统碳排放核算方法。由于能源设备类型较少、能源系统规模较小等因素,用户级低碳综合能源系统碳排放核算通常与建筑整体碳排放核算有机结合,如文献［109］基于动态生命周期评估法,分析了建筑不同寿命阶段对系统整体碳排放的影响；此外,根据研究目标的不同,对于能源设备类型有限的用户级低碳综合能源系统,也可在地源热泵［110］、光伏［111］、CCHP［112］等能源设备碳排放单独核算的基础上对用户级低碳综合能源系统整体碳排放量进行计算。

针对上文中用户级低碳综合能源系统的特点,在规划时一方面可通过充分利用建筑空间提高可再生能源装机容量促进减排:如文献［113］在一栋两层建筑的用户级低碳综合能源系统规划中集成光伏/光热建筑一体化技术,在提高清洁电力比例的同时,降低了建筑采暖制冷及生活热水的总能耗；文献［114］针对低碳建筑提出了一种包括蓄热装置在内的地热系统规划方案,在满足热负荷需求的前提下降低能源系统碳排放。另一方面,在规划时考虑小型储能、新能源汽车、用户柔性多能负荷等灵活性资源,有利于缓解用户级低碳综合能源系统的“源荷”波动,提高清洁能源消纳量。文献［115］利用生物质能与太阳能的互补性,在考虑光照、多能负荷和土壤温度不确定性的前提下,为乡村离网住宅提出一种基于多场景的双层随机规划模型,并利用Benders分解法求解得到各能源设备的最佳容量；文献［116］针对住宅低碳综合能源系统,通过电储能和电热水器协同规划促进光伏消纳,缓解光伏出力与住宅负荷需求不一致造成的“鸭嘴曲线”现象；文献［117］在高层住宅综合能源系统规划中集成了制氢、储氢设备和氢动力汽车消纳部分风光出力,同时,回收电解水过程产生的废热供给建筑热负荷,提升能效、降低碳排放水平；文献［118］考虑了部分家用电器负荷可调对小型风光与电储能规划容量的影响,验证了在电储能容量有限的情况下,用户柔性多能负荷对清洁能源消纳的积极作用。

在用户级低碳综合能源系统规划中考虑建筑被动节能方法,以“节能”促进减排,实现“零碳”或“近零碳”建筑是用户级低碳综合能源系统降碳的重要途径。建筑设计中的被动式节能方法,主要指通过因地制宜合理设计建筑平面布局、朝向、间距、窗墙比、自然通风采光系统等,在降低建筑能耗的同时营造一个健康舒适的环境。但是,建筑被动式节能与用户级低碳综合能源系统协同规划过程中,涉及变量众多,难以直接求解。针对此问题,文献［119］为零能耗建筑提出了一种多层规划方法对建筑围护结构和建筑综合能源系统分别进行设计,但是该方法易使规划结果陷入“建筑围护结构局部最优”和“建筑综合能源系统局部最优”；文献［120］在文献［119］的基础上,通过启发式方法进一步考虑了建筑围护结构和综合能源系统间相互作用的影响:如光伏面积大则建筑朝向设计中更多考虑增加光照促进光伏发电,光伏面积小则建筑朝向设计中更多考虑减小光照降低制冷负荷需求等,以此确定最优规划方案。

目前,中国用户级低碳综合能源系统规划已有多项落地成果:如中国建筑科学研究院近零能耗示范楼和青岛中德生态园被动房技术中心,一方面通过设计建筑围护结构、高效照明系统节约能耗,另一方面利用光伏发电、地源热泵、太阳能集热器、热回收系统等为楼宇高效供能,大幅降低建筑外部购能；天津北辰商务中心则进一步集成电动汽车充电桩、电储能等灵活性资源,提升了低碳综合能源系统的灵活性。国外也取得了诸多项目成果,西班牙Atika住宅、德国巴斯夫“3升房”等典型设计已经作为成功经验向外推广。

6 挑战与展望

本文在对能源转型目标及路径优化分析的基础上,根据跨区级、区域级、用户级低碳综合能源系统的特点,梳理并评述了不同层级低碳综合能源系统规划关键技术的研究现状。对比分析不同层级低碳综合能源系统的特点、规划模型建模方法及要素、不确定性来源及处理方法、规划时间尺度、求解方法各方面的共性和差异性,如表1 所示。在规划建模方面,跨区级和区域级低碳综合能源系统规划模型中均涉及交通网的参与,但跨区级交通网大多仅参与能源运输,区域级交通网中电气化交通网除参与能源运输外,还具有作为综合需求响应资源的潜力。此外,不同层级低碳综合能源系统的规模不同、研究问题不同,建模要素的颗粒度也有所差别:例如用户级低碳综合能源系统与区域级低碳综合能源系统相比,各能源设备建模往往较细,更需在规划时考虑供能设备的可运行区间、变工况特性等；区域级与跨区级低碳综合能源系统规划模型均涉及多能流的建模,但跨区级低碳综合能源系统规划模型中电力系统通常采用直流潮流模型,而区域级则多采用Distflow 潮流模型,模型精确度更高。

表1 不同层级低碳综合能源系统规划对比Table 1 Comparison of low-carbon integrated energy system planning of different levels

在总结能源转型目标与优化路径、提炼低碳综合能源系统规划关键技术、梳理各层级规划要素的基础上,笔者认为未来低碳综合能源系统规划研究主要面临以下几方面的挑战。

6.1 跨区级低碳综合能源系统规划研究

随着降碳进程的推进,跨区级低碳综合能源系统必将集成大规模碳捕集设备和高比例清洁能源。在此背景下,如何挖掘碳捕集设备在主动捕集CO2之外的被动降碳潜力、如何在不同能源环节促进高比例可再生能源消纳,成为跨区级低碳综合能源系统规划面临的难题。

目前在碳捕集电厂、集成碳捕集的能源站规划相关研究文献中,碳捕集过程的建模大多较为粗糙,没有充分考虑不同碳捕集技术对规划模型的影响。如何通过对碳捕集技术的精细化建模提高系统的调峰深度、进一步挖掘低碳综合能源系统的灵活性是跨区级低碳综合能源系统规划面临的挑战之一。在具体规划阶段,可利用双层规划方法将碳捕集设备精细化运行模型内嵌入跨区级低碳综合能源系统规划模型中,如在含富氧燃烧电厂的跨区级低碳综合能源系统规划模型中考虑空分系统和储氧罐的灵活运行,在含燃烧后捕集电厂的跨区级低碳综合能源系统规划模型中考虑富液存储器和贫液存储器流量的优化调度等。此外,碳捕集电厂、大型综合能源站与自然碳汇手段的结合也是未来的发展方向之一。在对规划模型进行建模时,可考虑低碳综合能源系统与自然碳汇手段的互动,实现森林、湿地、海洋等自然碳汇方式与跨区级低碳综合能源系统的联合优化。

为应对高比例可再生能源消纳带来的挑战,跨区级低碳综合能源系统规划在源侧应充分考虑多能转换设备与大规模风光场站协同规划,通过将多余的清洁电力转换为氢能、天然气等便于存储的其他能源形式,缓解输电线路阻塞、电量季节不平衡等问题,促进可再生能源消纳。在网侧,主要可通过在规划时考虑输电线重构、输气管道管存特性,交通网络运输液化气与燃气管道协同规划等方式间接促进清洁电力消纳。在储侧,随着清洁能源比例的提高,季节性储能成为跨区级低碳综合能源系统中的重要元素,为规划模型带来多时间尺度耦合、多场景耦合等问题；此外,考虑到长时间尺度储能响应速度通常较慢,在实际规划中,还需对长短期储能协同规划进行进一步探索。通过上述措施在规划层面不断提高清洁能源比例,减少化石燃料燃烧,从而降低跨区级低碳综合能源系统碳排放。

6.2 区域级低碳综合能源系统规划研究

以互联互动为特征的区域级低碳综合能源系统具有高度的灵活性。如何在区域级低碳综合能源系统规划时充分挖掘利用各能源环节的灵活性资源,从而促进可再生能源消纳、提高能源利用率、实现减排降碳,仍有待进一步探索。

在未来区域级低碳综合能源系统规划中,源侧可计及不同种类分布式清洁能源运行特性的互补效应,实现考虑多源互补、多园区互补的区域级低碳综合能源站协同规划。与以电-气为主的跨区级低碳综合能源网络不同,区域级低碳综合能源系统的网侧包含了配电网、配气网、冷热管网等多种能源网络；在规划时,一方面要充分利用配电网重构、气网和冷热管网的管存特性挖掘网侧的灵活性资源,另一方面也应在规划时考虑市政公共电动交通网络、数据负载空间调度、区域冷链物流网络等多能负荷空间转移调度对供能网络规划的影响。荷侧方面,通过对区域级低碳综合能源系统中可中断、可平移、可调节、可转换多能负荷进行系统分类和精细化建模,在考虑新能源汽车充能站、5G 基站、数据中心、物流系统等多能负荷大用户与区域级低碳综合能源系统互联互动的基础上,合理设计综合需求响应机制,充分发挥负荷侧的调节作用。储侧方面,区域级低碳综合能源系统中储能类型丰富,适用场景不同。在规划过程中应考虑多时间尺度、多能源类型储能协同规划,针对不同的应用场景确定不同储能的配比及容量。另外,在区域级低碳综合能源系统规划过程中,考虑储能与“源网荷”多个能源环节协同规划,有利于进一步提高区域级低碳综合能源系统整体的灵活性和绿色环保性。通过在规划过程中充分考虑源-网-荷-储互动,电/气/热/冷互联互济,可提高区域级低碳综合能源系统可再生能源消纳水平,形成绿色环保的区域级低碳综合能源系统规划方案。

6.3 用户级低碳综合能源系统规划研究

目前对用户级低碳综合能源系统规划的研究较少。为应对用户级低碳综合能源系统直接与用户相连、“源荷”波动性较大的挑战,在未来进行相关研究时,一方面可充分考虑建筑功能特性、建筑所在地气候等因素对用户舒适度的影响,进行考虑用户舒适度弹性的用户级低碳综合能源系统规划；另一方面,由于用户用能行为复杂多变,“源荷”预测难度较大,在未来可考虑发展针对不同时间尺度的不同预测方法、模型和数据混合驱动的预测方法,考虑多能耦合的预测方法等,通过提高“源荷”预测的准确性实现用户级低碳综合能源系统的精准规划,从而促进清洁能源消纳,降低系统碳排放。

此外,深度结合建筑被动节能方法是未来用户级低碳综合能源系统规划的关键点之一。现有关于建筑被动节能元素与综合能源系统联合规划的研究中,对二者之间相互作用的考虑明显不足,具体表现在设置的耦合变量较少、作用机制缺少系统性梳理等。在后续研究中,可充分考虑光伏/光热建筑一体化设施等新型低碳建筑材料特性,通过“节能”进一步挖掘用户级综合能源系统的减排潜力。

6.4 不同层级低碳综合能源系统联合规划

目前,低碳综合能源系统规划的研究大多局限在某一层级之内,但是在能源系统低碳化转型进程中,随着中小型分布式清洁能源比例的提高,传统能源系统中的“发输变配用”界限逐渐模糊,能量在不同层级间的流动更加灵活,不同层级之间的互动必然不断增强。如何科学有效地进行跨层级低碳综合能源系统联合规划,是未来的挑战之一。

在对不同层级低碳综合能源系统联合规划时,针对不同层级、不同能源形式涉及利益主体众多的问题,应建立计及多主体动态博弈的分布式规划模型；针对可再生能源出力、多能负荷功率、用能价格等不确定性因素众多的问题,应考虑利用灵敏度分析等方法,筛选关键不确定性因素从而降低系统复杂度,在此基础上建立基于多场景的随机规划模型、基于数据驱动的鲁棒规划模型等。此外,由于不同层级低碳综合能源系统的特点不同,跨层级低碳综合能源系统规划可能涉及经济性、环保性、可靠性等较为多元的优化目标,需建立多目标规划模型。

由于跨层级低碳综合能源系统规划模型中涉及利益主体较多、不同层级低碳综合能源系统建模方式有所区别、系统中不确定性因素来源广泛等原因,跨层级低碳综合能源系统规划模型往往规模较大、变量众多,且存在非凸项、模型求解难度较大。在实际求解过程中,一方面可以考虑利用各类现代启发式算法求解；另一方面可应用二阶锥松弛、增量线性化、McCormick 松弛等方法将模型转凸,进而利用Benders 分解法、C&CG 算法、交替方向乘子法等算法降低问题求解维度,对模型进行求解。

6.5 计及碳市场碳交易的低碳综合能源系统规划

随着减排降碳进程的推进,作为促进低碳发展市场化手段的碳交易市场将不断扩大规模,碳市场中碳交易活跃程度也必然不断提升。因此,在对低碳综合能源系统进行规划时,需充分考虑低碳综合能源系统与碳市场互动带来的影响。

在低碳综合能源系统规划模型中,碳捕集收益、碳排放成本等与碳交易密切相关。在计及碳市场碳交易的前提下,低碳综合能源系统规划模型中的目标函数、经济性指标的计算均需做出相应调整:在长时间尺度上,碳价长期上涨的大趋势将倒逼能源供给、消费结构不断优化,因此规划时需考虑未来不同减排阶段碳价的变化；在短时间尺度上,碳交易市场上碳价的波动将对源侧不同碳排放水平供能主体的供能量和荷侧用电量产生影响,进而改变低碳综合能源系统的能流分布,因此需对不同碳价场景下规划方案的可靠性、经济性等进行分析权衡。在将来的研究中,通过在规划时主动考虑碳市场碳交易的影响,既可借助节能减排手段降低规划方案总成本,又能充分利用市场化方式促进能源系统降碳,从而实现经济性与环保性的兼顾。

7 结语

双碳目标下,能源系统亟待低碳转型。本文尝试提炼了低碳综合能源系统的内涵,在对能源转型目标及路径优化分析相关研究进行梳理后,分层级归纳了低碳综合能源系统的典型特点,总结了低碳综合能源系统各能源环节的低碳要素；在此基础上,评述了跨区级、区域级、用户级低碳综合能源系统的规划关键技术研究现状；最后,对未来低碳综合能源系统规划的发展挑战进行了展望,以期为该领域的进一步研究提供参考。