通过支持碳捕获的虚拟能源社区，结合数字社会福利和联合证书交易，实现气候中立型可持续城市的互动式调度

《Sustainable Cities and Society》：Interactive Scheduling for Climate-Neutral Sustainable Cities via Carbon Capture-Enabled Virtual Energy Communities Considering Digital-Social Welfare and Joint Certificate Trading

双碳市场协同优化与数字福祉评估在可再生能源丰富型虚拟能源社区中的应用研究。该框架通过整合碳捕获利用与储存技术、熵权法构建的六层协同架构，实现经济收益最大化与碳排放最小化的双目标优化，并创新性地将数字包容性、能源公平等社会福祉指标纳入决策体系。在四个场景模拟中验证了该框架可使碳排放降低29%以上，经济效益提升9%，为碳中和城市提供多维决策支持工具。

　　
本研究针对可再生能源富集的虚拟能源社区（VEC）提出了一种多维度协同优化框架，旨在实现近零碳排放与可持续城市发展的有机统一。在双碳战略背景下，研究团队突破传统能源优化范式，创新性地融合了碳捕集与封存（CCUS）技术、双市场协同机制和数字社会 welfare评估体系，构建了覆盖技术、经济、环境与社会维度的六层架构模型。该框架在优化能源调度效率的同时，首次将公民数字权益、能源公平性等社会维度纳入决策体系，为智慧城市建设提供了系统性解决方案。

一、研究背景与核心问题
当前分布式能源系统面临多重挑战：其一，系统分散性导致规模效益难以充分释放，2025年全球分布式能源装机容量预计突破5GW，但存在15%-20%的弃电率；其二，间歇性可再生能源波动性（如风电出力标准差达12%）对电网稳定性构成威胁，2023年欧洲电网因风光出力异常导致13次黑启动事件；其三，传统市场机制难以平衡经济激励与减排目标，美国EPA数据显示碳交易市场仅覆盖了全行业38%的排放源。

针对上述痛点，研究提出"技术-市场-社会"三维协同机制。通过构建虚拟能源社区作为新型协调单元，将分散的分布式能源资产（包括微电网、屋顶光伏、储能装置等）整合为具有弹性的能源服务网络。特别引入CCUS技术集群（涵盖BECCS、P2X、OCM等6类技术），形成覆盖全生命周期的碳减排闭环。

二、方法创新与实施路径
研究采用分层递进式建模方法，建立六层架构实现多目标协同优化：
1. **技术层**：集成CCUS设备运行参数与分布式能源特性数据库，开发动态耦合的能源-碳流模型。通过建立设备能效矩阵（包含CO?捕集效率、能源转换损耗等12项核心指标），实现不同技术路径的碳排放强度精准量化。
2. **市场层**：创新设计CET-GCT双市场协同机制，其中：
- 碳排放交易（CET）采用动态配额分配，建立基于区域碳预算的浮动价格机制
- 绿色证书交易（GCT）实施区块链溯源认证，构建包含可再生能源出力预测精度、用户满意度等6项指标的认证体系
3. **优化层**：开发非线性多目标优化模型，采用熵权-TOPSIS组合方法实现权重分配。通过蒙特卡洛模拟验证，该方法使目标权重确定偏差降低至3.2%，显著优于传统AHP法（偏差达9.7%）。
4. **数字层**：构建能源数字孪生系统，集成SCADA、数字孪生建模和机器学习预测技术，实现分钟级可再生能源出力预测（MAPE=4.3%）。
5. **社会层**：设计包含数字接入率（DA）、能源公平指数（EPI）、用户满意度（USI）的三维福利评估体系，建立与政府社会福利指标（如基尼系数）的映射模型。
6. **协同层**：开发跨市场协同决策算法，通过建立碳价与绿证价格的动态关联模型（R2=0.87），实现能源调度与碳资产管理的双向优化。

三、双市场协同机制的创新突破
研究首次揭示碳交易与绿证交易的市场协同效应：在案例城市西安的实证中，当CET碳价低于GCT绿证溢价10%时，系统通过优化CCUS设备运行时序，可使碳资产收益率提升23%，同时降低绿证交易成本18%。具体创新点包括：
1. **动态配额分配算法**：基于区域可再生能源潜力（如年等效利用小时数）、电网安全阈值（如N-1准则）、以及碳税政策（如欧盟CBAM机制），建立三维配额分配模型。在模拟碳价波动±30%时，系统仍能保持稳定运行（波动率<5%）。
2. **绿证区块链系统**：开发基于Hyperledger Fabric的分布式账本架构，实现可再生能源出力数据、碳减排量、用户能源消费等12类信息的实时上链。测试显示系统可支持每秒2000笔交易，数据篡改概率低于0.0001%。
3. **协同优化机制**：建立碳-绿证转换函数C=αG+βE+γD（α=0.62,β=0.28,γ=0.10），其中C为碳资产价值，G为绿证数量，E为电价波动，D为数字基础设施投入。该模型使系统在满足CET履约要求的同时，自动生成最优GCT交易策略。

四、社会效益评估体系构建
研究突破传统经济-环境二元分析框架，建立包含6个一级指标、23个二级指标的福利评估矩阵：
1. **数字接入维度**：量化用户智能终端覆盖率（DA=89.7%）、5G网络盲区消除率（达92%）、数字鸿沟缩小幅度（基尼系数下降0.15）
2. **能源公平维度**：开发能源可及性指数（EAI=0.83），包含：
- 弱势群体电力获取保障率（≥95%）
- 电压波动范围（≤±7%）
- 分布式能源服务覆盖率（100%）
3. **用户满意度维度**：通过数字孪生系统实时采集用户侧数据，建立包含14项关键指标的USI评价体系（权重分配见熵权法计算结果）

五、实证研究与效果验证
基于六大典型城市案例（涵盖高/中/低碳发展水平区域），研究取得突破性成果：
1. **碳减排效果**：在可再生能源渗透率≥45%的富集区域，系统可使CO?排放强度降低29.8%（较基准方案），其中CCUS技术贡献率达42%。
2. **经济效益提升**：通过市场协同机制，平均利润率提高9.3%（标准差1.8），在碳价波动±20%时仍保持盈利能力（ROE≥8.5%）。
3. **社会福利改善**：数字接入率DA提升至91.2%，能源公平指数EPI提高37%，用户满意度USI达4.2/5.0（基准值3.8）。
4. **系统鲁棒性**：在可再生能源出力预测误差达15%时，系统仍能保持98.2%的调度成功率，较传统VPP提升21个百分点。

六、实施路径与政策建议
研究提出"三步走"实施策略：
1. **基础设施层**：部署智能电表（覆盖率100%）、边缘计算节点（每平方公里≥3个）、数字孪生平台（响应时间<200ms）
2. **市场机制层**：建议建立区域性CET-GCT联动交易所，采用拍卖与竞价结合的混合交易模式，设置5%-8%的碳价与绿证价格联动系数
3. **政策支持层**：提出包含税收抵免（最高40%）、绿证强制交易比例（建议≥15%）、数字基建专项补贴（补贴率≥35%）的三维政策工具包

该框架已在伊朗阿德比尔省进行试点应用，验证显示：
- 系统综合能效提升18.7%
- 碳排放强度下降31.2%
- 数字接入成本降低42%
- 用户投诉率下降65%

研究特别强调需建立跨部门协同机制，建议能源、环保、数字经济等部门组建联合工作组，制定包含技术标准（如CCUS设备接口规范）、数据接口（遵循IEC 61850标准）、市场规则（如绿证跨境互认）在内的操作指南。

该研究为全球可持续城市发展提供了可复制的范式，其核心价值在于：
1. 首次将数字社会维度纳入能源系统优化，实现经济效益与环境效益的帕累托改进
2. 开发动态双市场协同机制，破解传统研究中的市场割裂难题
3. 建立可扩展的六层架构，支持不同发展阶段的智慧城市个性化改造

后续研究将重点关注氢能产业链整合、碳核算区块链溯源、以及元宇宙技术支持的虚拟社区治理等方向，持续完善"技术-市场-社会"协同发展体系。