面向設施農業(yè)的光伏-多形態(tài)儲能聯(lián)合優(yōu)化調度控制.pdf

第10 卷 第7 期 農 業(yè) 工 程 Vol 10 No 7 2020 年7 月 Agricultural Engineering Jul 2020 收稿日期 2020 04 17 修回日期 2020 06 01 基金項目 國家電網公司總部科技項目 項目編號 5400 201933453A 0 0 00 作者簡介 何欣 碩士 高級工程師 研究方向 電力系統(tǒng)及其自動化 E mail 122468126 qq com 黃揚 通信作者 碩士生 研究方向 農村配電網優(yōu)化控制 E mail huangyang19900101 163 com 在線投稿 www d1ae com 面向設施農業(yè)的光伏 多形態(tài)儲能聯(lián)合優(yōu)化調度控制 何 欣 1 郝如海 1 黃 揚 2 井天軍 2 周鹿鳴 2 1 國網甘肅省電力公司電力科學研究院 甘肅蘭州 730050 2 中國農業(yè)大學信息與電氣工程學院 北京 100083 摘 要 目前 設施農業(yè)負荷增長迅速 已經成為光伏等可再生能源消納的重要支撐力量 但是缺乏針對設施農業(yè)系 統(tǒng)的調度控制方法 無法有效實現(xiàn)光伏等可再生能源的就地消納 使得光伏大量倒送農村配電網 影響配電網的安全 穩(wěn)定運行 針對上述問題 構建設施農業(yè)系統(tǒng)協(xié)調優(yōu)化調度模型 考慮光伏出力特性 分時電價及多形態(tài)低成本儲能 響應特性 算例結果表明 該系統(tǒng)可以最大化實現(xiàn)光伏就地消納 減少光伏倒送對配電網的影響 實現(xiàn)設施農業(yè)系統(tǒng) 經濟運行 關鍵詞 設施農業(yè) 儲能 聯(lián)合調度控制 光伏發(fā)電 空氣源熱泵 中圖分類號 TM926 文獻標識碼 A 文章編號 2095 1795 2020 07 0049 05 United Optimal Dispatching Control of Photovoltaic and Multi energy Storage for Facility Agriculture HE Xin 1 HAO uhai 1 HUANG Yang 2 JING Tianjun 2 ZHOU Luming 2 1 State Grid Gansu Electric Power esearch Institute Lanzhou Gansu 730050 China 2 College of Information and Electrical Engineering China Agricultural University Beijing 100083 China Abstract At present facility agricultural loads are growing rapidly and have become an important support force for consump tion of renewable energy such as photovoltaic in place However the dispatching control method of facility agricultural system is insufficient The consumption of renewable energy such as photovoltaic in place cannot be achieved effectively A large number of photovoltaic energy is made back to rural distribution network affecting the safe and stable operation of rural distri bution network For these questions the coordination optimal dispatching model of facility agricultural system was estab lished Characteristics of photovoltaic output low cost multi energy storage response and time of use electricity price were considered esults showed that facility agricultural system could realize the maximized consumption of photovoltaic in place reduce the impact of photovoltaic reverse transmission on distribution network and realize economic operation of facility agricul tural system Keywords facility agriculture energy storage united optimization control photovoltaic air source heat pump 0 引言 近年來 我國光伏發(fā)電裝機量不斷提高 截至 2019 年底 全國光伏發(fā)電裝機達到2 04 億 kW 新 增3 011 萬kW 1 雖然我國經濟仍穩(wěn)步發(fā)展 但是 就短期而言 工業(yè)發(fā)展仍面臨不少問題和困難 增速 可能進一步趨緩 2 受到上述因素的影響 我國光 伏發(fā)電的快速增長與消納的矛盾更加突出 另一方 面 我國廣大農村用電需求量不斷提升 尤其是隨著 設施農業(yè)的發(fā)展 農業(yè)負荷用電量急劇增加 為光伏 發(fā)電的消納提供了新的選擇 目前 針對工商業(yè)負荷特性的研究較多 蒯圣宇 等 3 通過分析電動汽車充電負荷響應特性 建立電 動汽車充電負荷調度潛力評估模型 實現(xiàn)負荷曲線的 優(yōu)化 提高了電網運行穩(wěn)定性 陳凱炎等 4 提出一 種基于V2G技術的電動汽車調度方法 通過 IEEE33 節(jié)點配電網算例驗證該方法可以有效降低充電成本與 電網網損成本 樊國偉等 5 對電解鋁 冶金和煤炭 等高載能負荷進行研究 將其與風 光 火發(fā)電進行聯(lián) 合調度 實現(xiàn)可再生能源的充分消納 南思博等 6 提出一種智能小區(qū)柔性負荷實時調度技術 有效降低 用戶用電成本 減小了負荷的峰值 姜婷玉等 7 針 對空調負荷聚合模型進行了研究 在削峰填谷 平衡 新能源波動方面具有重要作用 但是 針對農業(yè)負荷 農業(yè)工程 信息與電氣化 的研究較少 張新等 8 以農業(yè)負荷為研究對象 提 出以沼氣作為氣源的冷 熱 電 氣農村多能流微能網 架構 建立農村微能網優(yōu)化調度模型 最終實現(xiàn)農村 微能網的經濟運行 當前設施農業(yè)負荷增長迅猛 已經成為消納光伏 的重要力量 但缺乏有效的調度控制方法實現(xiàn)光伏電 能的就地使用 使得光伏倒送嚴重 影響農村配電網 的安全穩(wěn)定運行 針對上述問題 本研究搭建設施農 業(yè)溫室結構 建立設施農業(yè)負荷控制優(yōu)化模型 以設 施農業(yè)溫室電熱綜合運行成本最低為優(yōu)化目標 考慮 光伏出力的特性 分時電價及多形態(tài)儲能響應特性 利用粒子群算法對上述模型進行求解 以期實現(xiàn)設施 農業(yè)溫室合理穩(wěn)定運行和光伏電能消納的最大化 1 設施農業(yè)溫室結構 圖1 為設施農業(yè)溫室外部結構 設施農業(yè)溫室頂 部為太陽能光伏板 溫室的3 個側面為磚混保溫墻 溫室的斜面采用陽光板 圖2 是設施農業(yè)溫室內部結 構 其內部配置 LED 補光燈 等離子固氮 空間電 場 物理殺蟲燈 空氣源熱泵 蓄水儲能和相變蓄熱 儲能等裝置 9 設施農業(yè)溫室熱負荷數(shù)學模型如式 1 4 所示 Q dre Q 1 Q 2 Q 3 1 Q 1 s j a j t in t out 2 Q 2 0 5kvn t in t out 3 Q 3 s i a i t in t out 4 式中 Q dre 設施農業(yè)溫室熱負荷 Q 1 傳熱負荷 Q 2 滲透熱負荷 Q 3 地面熱負荷 s j 設施農業(yè)溫室頂部陽光板和側面保溫墻 的傳熱系數(shù) a j 設施農業(yè)溫室陽光板截面積和側面保溫 墻部面積 t in 設施農業(yè)溫室內部的溫度 t out 設施農業(yè)溫室外部的溫度 k 風力因子 v 設施農業(yè)溫室的空氣體積 n 換氣次數(shù) s i 地面?zhèn)鳠嵯禂?shù) a i 面積 2 設施農業(yè)負荷功耗模型 2 1 LED補光燈 LED補光燈可以在外部陰雨天或者自然光照不 圖1 設施農業(yè)溫室外部結構 Fig 1 External structure of facility agriculture 圖2 設施農業(yè)溫室內部結構 Fig 2 Internal structure of facility agriculture 足的情況下提高植物的光合作用 其具有結構簡單 性價比高的特點 10 LED 補光燈負荷模型如式 5 所示 P LED t p LED N t T i 1 t e i t s i 5 式中 p LED 單只補光燈的功率 N t 特定時間段需要開啟補光燈的數(shù)量 該系數(shù)和設施農業(yè)當?shù)氐臍庀髼l件密切相關 T 補光燈總的工作時段數(shù) t e i 補光燈第i個工作時段結束運行的時間 t s i 補光燈第i個工作時段開始運行的時間 2 2 等離子固氮 近年來 等離子體技術在無機材料合成 高分子 合成及有機合成等方面應用廣泛 利用放電等離子體 技術實現(xiàn)水中固氮制硝酸 是以取之不盡的空氣和水 作為基本原料 反應過程無需輔以高溫 高壓催化 劑 是一種具有潛力的綠色固氮新技術 11 等離子 固氮負荷模型如式 6 所示 P Plasma t P Plasma s it 6 式中 P Plasma 等離子固氮裝置額定功率 s it 負荷i在時段 t 的工作情況 工作時取 1 否則取0 05 何欣 等 面向設施農業(yè)的光伏 多形態(tài)儲能聯(lián)合優(yōu)化調度控制 2 3 空間電場 本研究采用的空間電場 其工作原理是高壓發(fā)生 器產生45 kV的直流高壓 作用在細導電絲上 產生 電暈放電 從而促進植物的生長 同時具有消除溫室 內霧氣和濕氣的作用 12 空間電場的負荷模型如式 7 所示 P selectric t P selectric s it 7 式中 P selectric 空間電場裝置的額定功率 2 4 溫室物理殺蟲燈 溫室的害蟲是農作物大面積減產或絕收的重要因 素 然而大量噴灑農藥會影響農產品的品質 危害健 康 破壞環(huán)境 物理殺蟲技術基于害蟲的趨光性和對 各類顏色的敏感性 利用高壓電去除害蟲 其具有經 濟環(huán)保的優(yōu)點 9 溫室物理殺蟲燈負荷模型如式 8 所示 P pinsecticidal t P pinsecticidal s it 8 式中 P pinsecticidal 溫室物理殺蟲燈的額定運行功 率 2 5 空氣源熱泵 空氣源熱泵由電能驅動壓縮機運轉 將空氣中的 能量轉移至室內實現(xiàn)加熱 設備配置簡單且不會排放 有害氣體 在供熱的同時也能做到節(jié)能環(huán)保 空氣源 熱泵的負荷模型如式 9 所示 Q HP t C HP P EHP s it 9 式中 Q HP t 空氣源熱泵在t時刻的輸出熱功率 C HP 空氣源熱泵制熱系數(shù) P EHP 空氣源熱泵在t時刻的用電功率 3 蓄水儲能模型 設施農業(yè)溫室中設置蓄水泵 蓄水泵由光伏電能 驅動 當光伏電能不能完全消納時 驅動蓄水泵工作 將水抽送到地勢相對較高的蓄水池中進行儲存 9 在植物生長需要水時 無需使用電能驅動水泵工作 直接靠勢能灌溉作物 水泵工作時電動機運行在額定 運行狀態(tài) 如式 10 所示 P pumpe t P pump pump s it 10 式中 P pumpe t 直流電機在t時刻輸出的機械功 率 P pump 蓄水泵的耗電功率 pump 直流電機電功率轉化為機械功率的 效率 4 相變蓄熱儲能模型 相變蓄熱是利用相變材料在物態(tài)變化過程中吸收 或放出的熱量進行能量存儲或釋放 從而實現(xiàn)能量在 時間和空間上的轉移 相變蓄熱儲能的充放能特性與 蓄電池類似 故采用的數(shù)學模型如式 11 所示 E t E t 1 1 TP eh t ch TP dis t dis 11 式中 E t 相變蓄熱儲能裝置在t時刻的熱能量 相變蓄熱儲能裝置自放能系數(shù) P eh t 相變蓄熱儲能裝置在 t 時刻的充熱 效率 P dis t 相變蓄熱儲能裝置在t 時刻的放熱 功率 ch 相變蓄熱儲能裝置充熱效率系數(shù) dis 相變蓄熱儲能裝置放熱效率系數(shù) T 單位時段 5 光伏與儲能聯(lián)合調度控制模型 在設施農業(yè)溫室各負荷和儲能數(shù)學模型的基礎 上 建立設施農業(yè)溫室光伏與儲能聯(lián)合調度模型 以 設施農業(yè)溫室綜合電熱運行成本最低為目標函數(shù) 考 慮各種相關約束 采用粒子群算法進行求解 根據(jù)求 解結果制定調度策略 5 1 目標函數(shù) 設施農業(yè)溫室綜合電熱運行成本包括從配電網購 電成本和各裝置維護成本 目標函數(shù)如式 12 所 示 minC min T t 1 e buy t P grid t n i 1 C i t P i t m r 1 C r t Q r t 12 式中 e buy t 從配電網購電價格 P grid t 從配電網購電功率 C i t 第i個裝置的單位功率維護費用 P i t 第i個裝置的電功率 Q r t 第r個裝置的熱功率 5 2 約束條件 1 電功率平衡約束 P grid t P PV t P e t P EHP t P pump t 13 式中 P PV t 光伏發(fā)電功率 P e t 設施農業(yè)溫室電負荷 P EHP t 空氣源熱泵耗電量 P pump t 蓄水泵耗電量 2 熱功率平衡約束 Q HP t Q hstor t Q h t 14 式中 Q hstor t 相變蓄熱儲能充熱或者放熱功率 Q h t 設施農業(yè)溫室熱負荷 3 設施農業(yè)溫室裝置約束 P min i P i t P max i i 1 n 15 15 農業(yè)工程 信息與電氣化 Q min r Q r t Q max r r 1 m 16 式中 P min i 各供電裝置的最小功率 P max i 各供電裝置的最大功率 Q min r 各供熱裝置的最小荷功率 Q max r 各供熱裝置的最大荷功率 4 儲能裝置約束 E min E t E max 17 0 P dis t P dmax 18 0 P ch t P cmax 19 式中 E min 相變蓄熱儲能裝置最小容量 E max 相變蓄熱儲能裝置最大容量 P dmax 相變蓄熱儲能裝置最大放熱功率 P cmax 相變蓄熱儲能裝置最大充熱功率 6 算例分析 以中國西部某地區(qū)新建設施農業(yè)溫室為例 驗證 所提調度模型的合理性 電網電價采用分時電價 設 施農業(yè)溫室供能和儲能裝置參數(shù)如表 1 所示 6 8 9 冬季典型日光伏 電熱負荷曲線如圖3 所示 表1 設施農業(yè)溫室供能和儲能裝置參數(shù) Tab 1 Parameters of energy supply and energy storage devices for facility agriculture 設備 參數(shù) 取值 光伏發(fā)電 最大發(fā)電功率 kW 12 維護成本 元 kW 1 0 03 蓄水泵 最大輸出功率 kW 2 2 揚程 m 25 流量 m 3 h 1 22 額定電壓 V 220 維護成本 元 kW 1 0 02 蓄水池 容量 m 3 45 空氣源熱泵 最大輸入功率 kW 5 制熱效率系數(shù) 3 7 維護成本 元 kW 1 0 02 相變蓄熱儲能 最大充熱效率 0 2 最大放熱效率 0 2 最大荷熱狀態(tài) 0 9 最小荷熱狀態(tài) 0 1 維護成本 元 kW 1 h 1 0 02 容量 kW h 50 圖3 光伏和電熱負荷曲線 Fig 3 Photovoltaic electricity heating load curves 圖4 是冬季典型日相變蓄熱儲能裝置運行功率 曲線 縱坐標正值為相變蓄熱儲能裝置蓄熱功率 縱坐標負值為相變蓄熱儲能裝置放熱功率 在 11 00 16 00時 由于光伏出力值大于設施農業(yè)溫 室電負荷需求量 故將多余光伏出力通過空氣源熱 泵轉化為熱量放入相變蓄熱儲能裝置進行儲存 在 16 00 24 00 時 優(yōu)先將相變蓄熱儲能裝置中的 熱量放出滿足設施農業(yè)溫室熱負荷需求 不足的部 分靠空氣源熱泵滿足 圖4 相變蓄熱儲能裝置功率曲線 Fig 4 Power curve of phase change thermal storage 圖5 是蓄水儲能裝置的蓄水量曲線 在 08 00 時將蓄水池的閥門打開 水靠勢能流出 對農作物進 行灌溉 在11 00 時以后 光伏出力大于設施農業(yè) 溫室電負荷需求 利用多余的光伏電能控制蓄水泵將 蓄水池充滿 在次日08 00 時放出灌溉農作物 圖5 蓄水儲能裝置的蓄水量曲線 Fig 5 Water storage curve of water storage device 假設設施農業(yè)系統(tǒng)不優(yōu)化 電負荷由光伏和配電 網功率滿足 熱負荷由空氣源熱泵滿足 則計算得到 設施農業(yè)系統(tǒng)電熱綜合運行日費用為39 46 元 采用 本研究所提優(yōu)化調度模型得到設施農業(yè)系統(tǒng)電熱綜合 運行日費用為38 91 元 日運行費用相比優(yōu)化前降低 1 4 實現(xiàn)了設施農業(yè)系統(tǒng)的經濟運行 7 結論 本研究構建了設施農業(yè)溫室結構 建立了設施農 25 何欣 等 面向設施農業(yè)的光伏 多形態(tài)儲能聯(lián)合優(yōu)化調度控制 業(yè)負荷功耗模型 相變蓄熱儲能裝置模型和蓄水儲能 裝置模型 以設施農業(yè)溫室綜合電熱運行成本最低為 優(yōu)化目標 構建考慮光伏出力特性 分時電價及設施 農業(yè)生產用能和儲能特性的協(xié)調優(yōu)化模型 算例結果 表明 相變蓄熱儲能裝置和蓄水儲能裝置實現(xiàn)了多余 光伏最大化就地消納 減少了光伏外送對配電網穩(wěn)定 性的影響 實現(xiàn)了設施農業(yè)系統(tǒng)的經濟運行 證明了 該調度控制模型的合理性 參考文獻 1 國家能源局 國家能源局關于2020 年風電 光伏發(fā)電項目建 設有關事項的通知 解讀 EB OL 2020 03 10 http www nea gov cn 2020 03 10 c 138862170 htm 2 國家統(tǒng)計局 預計2019 年 GDP 增長6 3 EB OL 2019 01 08 https baijiahao baidu com s id 1622051497976098287 wfr spider for pc 3 蒯圣宇 田佳 馬靜 等 電動汽車充電負荷的調度效益及潛 力研究 J 電子測量技術 2019 42 14 37 42 KUAI Shengyu TIAN Jia MA Jing et al EV charging load dis patching benefit and potential research J Electronic Measurement Technology 2019 42 14 37 42 4 陳凱炎 牛玉剛 基于 V2G 技術的電動汽車實時調度策略 J 電力系統(tǒng)保護與控制 2019 47 14 1 9 CHEN Kaiyan NIU Yugang eal time scheduling strategy of e lectric vehicle based on vehicle to gridapplication J Power Sys tem Protection and Control 2019 47 14 1 9 5 樊國偉 樊國旗 藺紅 等 含高載能負荷的風 光 火聯(lián)合電 調度研究 J 安徽電力 2019 36 2 18 22 FAN Guowei FAN Guoqi LIN Hong et al esearch on wind PV thermal joint dispatching with energy extensive load J Anhui Electric Power 2019 36 2 18 22 6 南思博 李庚銀 周明 等 智能小區(qū)可削減柔性負荷實時需 求響應策略 J 電力系統(tǒng)保護與控制 2019 47 10 42 50 NAN Sibo LI Gengyin ZHOU Ming et al eal time demand response of curtailable flexible load in smart residential community J Power System Protection and Control 2019 47 10 42 50 7 姜婷玉 鞠平 王沖 考慮用戶調節(jié)行為隨機性的空調負荷聚 合功率模型 J 電力系統(tǒng)自動化 2020 44 3 105 116 JIANG Tingyu JU Ping WANG Chong Aggregated power model of air conditioning load considering stochastic adjustment behaviors of consumers J Automation of Electric Power System 2020 44 3 105 116 8 張新 張漫 王維洲 等 基于改進雜交粒子群算法的農村微 能網多能流優(yōu)化調度 J 農業(yè)工程學報 2017 33 11 157 164 ZHANG Xin ZHANG Man WANG Weizhou et al Scheduling optimization for rural micro energy grid multi energy flow based on improved crossbreeding particle swarm algorithm J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2017 33 11 157 164 9 周鹿鳴 設施農業(yè)微型能源網絡的光伏消納與用能協(xié)調控制研 究 D 北京 中國農業(yè)大學 2018 ZHOU Luming esearch on photovoltaic consumption and coordi nated energy utility control of micro energy system in facility agricul ture D Beijing China Agricultural University 2018 10 申寶營 丁為民 惠娜等 夜間補光對黃瓜幼苗形態(tài)的調節(jié)與 補光方式的確定 J 農業(yè)機械學報 2014 45 6 296 302 SHEN Baoying DING Weimin HUI Na et al egulation of LED night lighting on growth and morphology of cucumber seedlings and process of night lighting J Transactions of the Chinese Socie ty for Agricultural Machinery 2014 45 6 296 302 11 史俊文 高壓脈沖放電等離子體固氮及其機理的研究 D 蘇 州 蘇州大學 2010 SHI Junwen Study on nitrogen fixation into water by the technique of pulsed high voltage discharge plasma and mechanism D Suzhou Soochow University 2010 12 陳淑英 李旭英 劉宇 等 空間電場對土壤水分和大麥生長 的影響 J 農業(yè)工程學報 2010 26 2 59 63 CHEN Shuying LI Xuying LIU Yu et al Effectof spatial elec tric field on soil moisture and barley growth J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2010 26 2 59 63 35