随着气候变化问题日渐严峻,世界各国对能源 系统以及全社会碳排放的要求日趋严格.１９９７年 政府间气候变化专门委员会(IPCC)第三次评估报 告中指出,应该通过控制大气中温室气体的量使得 气温的 上 升 不 超 过 ２℃ [１].我 国 作 为 能 源 消费 大 国[２],在２０１６年加入«巴黎协定»,并以“努力将温升控制在 ２℃ 以内,争取控制在 １．５℃ 以内”为目 标[３],在全社 会 各 领 域 推 广 低 碳 减 排 技 术,并 于 ２０２０年提出 “２０３０年前碳达峰,２０６０年碳中和”的双碳目标[４],进一步加快全行业低碳转型步伐.由 于能源系统的发展具有高投资、长周期的特点,采 用科学的规划方法对能源系统的转型路径进行定量分析可有效避免转型中的成本浪费等问题.
虽然LEAP(thelowemissionsanalysisplatform)、 EnergyPLAN 等能源系统模拟规划模型可以描述 出更加精细的能源转型路径,并已经被广泛应用于我国城市能源系统的转型规划中[５８],但是模拟规 划模型不具备成本优化和成本约束功能.而优化规 划模型在定量未来转型路径成本的同时,能够给出 成本更低的转型路径,因此优化规划模型被越来越 多地应用于能源系统的转型中.本课题组近几年在 能源系统的优化建模方面进行了大量的研究,将能 源系统规划的定量研究根据研究对象的范围和角度 分为了区域性研究和行业性研究两种.在区域性研究方面,Zhou等[９]综合考虑了可替代的供电和供热技术,建立了城市分布式能源系统最优化模型, 并对北京等城市进行了分析,结果显示与传统完全 依赖主电网的方式相比,与主电网连接的分布式能 源系统具有更佳的经济性和二氧化碳减排效果.在 此基础上,Zhou等[１０]以北京市某酒店的供能系统 为例,采用遗传算法和 MonteCarlo模拟对分布式 能源系统的优化模型进行应对不确定性的定量分 析,使得设计出的分布式能源系统具有更好的应对外部波动性和不确定性的能力.Chen等[１１]在考虑 可再生能源供应不确定性的情况下,将城市内划分 为多个节点,使用εＧconstraint方法对城市能源系统进行多目标优化建模,并将该模型应用于雄安新 区的能源系统设计中[１２].由于我国部分偏远农村 地区的电网建设成本较高,Li等[１３]对偏远地区混 合离网可再生电力系统建立了优化模型,并讨论了 我国西北部某村庄独立于主电网应用混合可再生电 力的可行性与经济性.
在行业性研究方面,目前的研究对象主要为电 力系统.Zhang等[１４１５]将全国看作一个整体,采用 “年”为时间分辨率对我国电力系统建立优化模型, 讨论了不同碳税政策对核电和可再生电力的促进作 用,同时进行了电力需求等５种参数不确定条件下的优化分析[１６].Cheng等[１７]在此工作基础上,建立了将全国分为１０个地区的电力系统模型 TIM, 从而可以初步刻画地区间电力输送.Guo等[１８]在 TIM 的基础上将对时间的刻画调整为一年１２个时 间段(LDM),将对空间的刻画调整为１７个地区, 建立了 LoMLoG 模型用来描述不同地区不同时间 段内需 求 的 变化 和 波 动 性 可 再 生 电 力 的 供 需 匹 配[１９].由于可再生能源电力具有波动性,当电力系 统中以可再生电力为主时,煤电机组将从长时间平 稳运行转变为灵活运行,用于弥补可再生电力供应 和电力需求的差值,频繁地变负荷工作会导致煤电 机组运行成本的改变和碳排放的增加,Chen等[２０] 将这两种差异考虑进了 LoMLoG 模型中,并通过 计算比 较 发 现 考 虑 火 电 机 组变 负 荷 工 作 差 异 的 LoMLoG 模型会增加３％的运行成本.Chen等[２１] 考虑到由于未来电动汽车的增加,不同时刻的电力需求会受到影响,因此在 LoMLoG 的电力需求端 增加了电动汽车的充电需求(EVMLG),讨论了我 国未来不同汽车充电情景下的电力系统建设.Li 等[２２２３]借鉴了 LoMLoG 模型,对中国的氢能供应 系 统 和 天 然 气 供 应 系 统 建 立 了 模 型,在提 高 LoMLoG 模型时间和空间分辨率的同时,加入电力储能模块,将电力、氢能、煤、石油和天然气５种 能源子系统整合,搭建了我国能源基础设施优化规划模型 CRESOM [２４],并且探讨了５种给定方案下 我国能源系统发展路径的差异.
综上所述,以往的研究中对于我国能源系统的 优化建模主要分为区域性和行业性两种,并且更偏重于行业性研究.对单一地区的能源系统建模一般 不考虑地区内能量流动,对电力和热力同时进行建模优化,但是对于需求侧的描述较少;对行业能源 系统的建模一般会结合地区间能源供给和需求的差异,但是只考虑一个单一部门,如电力部门.由于 双碳目标提出后,我国各省市均需根据自身情况及 国家要求制定全区域全行业碳达峰碳中和路径规划,而现有的上述优化模型中,区域性模型缺乏对 需求侧的详细描述,行业性模型对于能源系统的描 述过于局限在电力行业,不能满足省市级碳达峰碳中和路径规划的需求.针对这个问题,本文在借鉴 已有行业性优化模型结构的基础上,建立了一个区 域多行业碳排放优化模型,可以根据实际情况设置 碳减排技术手段和政策约束.
