隨著氣候變化問題日漸嚴峻,世界各國對能源 系統以及全社會碳排放的要求日趨嚴格.１９９７年 政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第三次評估報 告中指出,應該通過控制大氣中溫室氣體的量使得 氣溫的 上 升 不 超 過 ２℃ [１].我 國 作 為 能 源 消費 大 國[２],在２０１６年加入«巴黎協定»,并以“努力將溫升控制在 ２℃ 以內,爭取控制在 １．５℃ 以內”為目 標[３],在全社 會 各 領 域 推 廣 低 碳 減 排 技 術,并 于 ２０２０年提出 “２０３０年前碳達峰,２０６０年碳中和”的雙碳目標[４],進一步加快全行業低碳轉型步伐.由 于能源系統的發展具有高投資、長周期的特點,采 用科學的規劃方法對能源系統的轉型路徑進行定量分析可有效避免轉型中的成本浪費等問題.
雖然LEAP(thelowemissionsanalysisplatform)、 EnergyPLAN 等能源系統模擬規劃模型可以描述 出更加精細的能源轉型路徑,并已經被廣泛應用于我國城市能源系統的轉型規劃中[５８],但是模擬規 劃模型不具備成本優化和成本約束功能.而優化規 劃模型在定量未來轉型路徑成本的同時,能夠給出 成本更低的轉型路徑,因此優化規劃模型被越來越 多地應用于能源系統的轉型中.本課題組近幾年在 能源系統的優化建模方面進行了大量的研究,將能 源系統規劃的定量研究根據研究對象的范圍和角度 分為了區域性研究和行業性研究兩種.在區域性研究方面,Zhou等[９]綜合考慮了可替代的供電和供熱技術,建立了城市分布式能源系統最優化模型, 并對北京等城市進行了分析,結果顯示與傳統完全 依賴主電網的方式相比,與主電網連接的分布式能 源系統具有更佳的經濟性和二氧化碳減排效果.在 此基礎上,Zhou等[１０]以北京市某酒店的供能系統 為例,采用遺傳算法和 MonteCarlo模擬對分布式 能源系統的優化模型進行應對不確定性的定量分 析,使得設計出的分布式能源系統具有更好的應對外部波動性和不確定性的能力.Chen等[１１]在考慮 可再生能源供應不確定性的情況下,將城市內劃分 為多個節點,使用εＧconstraint方法對城市能源系統進行多目標優化建模,并將該模型應用于雄安新 區的能源系統設計中[１２].由于我國部分偏遠農村 地區的電網建設成本較高,Li等[１３]對偏遠地區混 合離網可再生電力系統建立了優化模型,并討論了 我國西北部某村莊獨立于主電網應用混合可再生電 力的可行性與經濟性.
在行業性研究方面,目前的研究對象主要為電 力系統.Zhang等[１４１５]將全國看作一個整體,采用 “年”為時間分辨率對我國電力系統建立優化模型, 討論了不同碳稅政策對核電和可再生電力的促進作 用,同時進行了電力需求等５種參數不確定條件下的優化分析[１６].Cheng等[１７]在此工作基礎上,建立了將全國分為１０個地區的電力系統模型 TIM, 從而可以初步刻畫地區間電力輸送.Guo等[１８]在 TIM 的基礎上將對時間的刻畫調整為一年１２個時 間段(LDM),將對空間的刻畫調整為１７個地區, 建立了 LoMLoG 模型用來描述不同地區不同時間 段內需 求 的 變化 和 波 動 性 可 再 生 電 力 的 供 需 匹 配[１９].由于可再生能源電力具有波動性,當電力系 統中以可再生電力為主時,煤電機組將從長時間平 穩運行轉變為靈活運行,用于彌補可再生電力供應 和電力需求的差值,頻繁地變負荷工作會導致煤電 機組運行成本的改變和碳排放的增加,Chen等[２０] 將這兩種差異考慮進了 LoMLoG 模型中,并通過 計算比 較 發 現 考 慮 火 電 機 組變 負 荷 工 作 差 異 的 LoMLoG 模型會增加３％的運行成本.Chen等[２１] 考慮到由于未來電動汽車的增加,不同時刻的電力需求會受到影響,因此在 LoMLoG 的電力需求端 增加了電動汽車的充電需求(EVMLG),討論了我 國未來不同汽車充電情景下的電力系統建設.Li 等[２２２３]借鑒了 LoMLoG 模型,對中國的氫能供應 系 統 和 天 然 氣 供 應 系 統 建 立 了 模 型,在提 高 LoMLoG 模型時間和空間分辨率的同時,加入電力儲能模塊,將電力、氫能、煤、石油和天然氣５種 能源子系統整合,搭建了我國能源基礎設施優化規劃模型 CRESOM [２４],并且探討了５種給定方案下 我國能源系統發展路徑的差異.
綜上所述,以往的研究中對于我國能源系統的 優化建模主要分為區域性和行業性兩種,并且更偏重于行業性研究.對單一地區的能源系統建模一般 不考慮地區內能量流動,對電力和熱力同時進行建模優化,但是對于需求側的描述較少;對行業能源 系統的建模一般會結合地區間能源供給和需求的差異,但是只考慮一個單一部門,如電力部門.由于 雙碳目標提出后,我國各省市均需根據自身情況及 國家要求制定全區域全行業碳達峰碳中和路徑規劃,而現有的上述優化模型中,區域性模型缺乏對 需求側的詳細描述,行業性模型對于能源系統的描 述過于局限在電力行業,不能滿足省市級碳達峰碳中和路徑規劃的需求.針對這個問題,本文在借鑒 已有行業性優化模型結構的基礎上,建立了一個區 域多行業碳排放優化模型,可以根據實際情況設置 碳減排技術手段和政策約束.
