可再生能源为主体的农业能源互联网碳循环建模与优化.pdf

书书书 第 nullnull 卷 第 nullnull 期 nullnullnullnull 年 nullnull 月 电 力 建 设 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull 基金项目 国家自然科学基金资助项目 nullnullnullnullnullnullnullnull 中国农业大学 nullnullnullnull 人才工程资助 可再生能源为主体的农业能源互联网 碳循环建模与优化 牛浩森 付学谦 中国农业大学信息与电气工程学院 北京市 nullnullnullnullnullnull 摘 要 双碳 目标对能源领域和农业领域的节能减排提出了更高要求 农业能源互联网作为能源与农业深度耦合 的产物 是实现碳中和的重要手段 提出一种面向农业能源互联网碳循环的核算方法以及计及农业柔性负荷及碳交易 的农业能源互联网优化运行策略 首先 构建了农业园区内光伏 热电联产等碳排放核算模型 其次 以园区日运行成 本最低为目标函数 考虑等式及不等式约束 构建优化调度模型 最后 以某园区农业能源互联网为研究对象对优化模 型进行仿真 详细核算园区内碳排放情况 并通过与其他农业园区对比验证碳模型的正确性 结果表明 该优化调度策 略可有效降低农业园区碳排放 实现碳中和 关键词 农业能源互联网 碳排放 运行优化调度 农业碳中和 Modeling and Optimization of Carbon Cycle of Agricultural Energy Internet Based on enewable Energy nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull ABST ACT nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null KEYWO DS nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 中图分类号 TM 732 文献标志码 A 文章编号 1000 7229 2022 10 0001 15 nullnullnull 10 12204nullnullnull nullnullnullnull 1000 7229 2022 10 001 0 引 言 工业革命以来 世界各国对能源需求日益增长 化石燃料被大量用于生产能源 导致社会飞速发展的 同时产生严重的环境污染 能源系统迫切需要做出 改变 减少 nullnull null 等温室气体排放 降低环境污染 增 大新能源比例以代替传统化石能源 降低能源系统发 电 产热等产能环节碳排放是实现碳达峰 碳中和的 重要手段 近年来 各学者对能源系统碳减排做了大 量研究 文献 null 提出了基于太阳能热化学的分布 式功能系统 结果显示集成系统具有显著的节能减排 优势 文献 null 提出一种考虑最优建设时序的园区 综合能源系统低碳规划方法 通过建立碳交易模型及 含碳捕集装置的综合能源系统拓扑结构 研究在不同 碳目标约束下 最优建设时续及容量配置 实现园区 低碳运行 文献 null 提出了一种氢能驱动下钢铁园 电 力 建 设 第 43 卷 nullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull 区能源系统低碳发展模式 以低碳 绿色 环保 节能 为目标 定量研究 绿色 氢能 工业 耦合系统 为碳 达峰 碳中和目标的尽快实现提供了思路 文献 null 提出一种基于离散混合自动机的优化模型 针对多能 耦合的综合能源园区 计算低碳运行模式下的日前优 化结果 提高园区机组减排能力 电力系统作为能源系统枢纽 对我国能源生产 和消费的转型将起到关键作用 null 文献 null 总结了 电力系统实现 双碳 目标的实现路径 即构建新型 电力系统 文献 null 评估了电力系统实现碳中和过 程中减排速度和节奏 电力系统平衡调节等关键问 题 进而分析了中国电力系统低碳发展方向 文献 null 研究了火电行业碳达峰 碳中和情景预测模型 推动火电行业实现较低碳排放峰值 文献 null 研究 了 双碳 目标背景下电力市场改革机制 通过合理 的价格政策设计 调动发电企业减排的积极性 从需 求侧影响并促使发电企业降低碳排放 文献 nullnull 提 出一种考虑网损双向分摊的电力系统碳流计算方法 精准评估了新能源机组的减排贡献 文献 nullnull 提出 了考虑碳排放流理论的风 碳捕集 电转气联合新型 中长期调度方式 通过碳排放流理论对系统中不同节 点的碳排放分布和强度进行了定量评估 石油农业阶段 化石燃料在农业生产中的大规模 使用产生大量温室气体 使得农业碳排放成为全球变 暖的重要因素之一 农业碳排放在中国占总排放量 的 nullnullnull 在美国仅占 nullnull 在全球仅占 nullnullnull nullnull 这表 示减少农业碳排放 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 对中国的影响将比对其他国家更为显著 其 中种植业方面 传统农业 nullnullnull 的 nullnull null 排放来源是化 肥 饲料和燃料的使用 nullnull 养殖业方面 保温 通风及 生物活动等会产生大量温室气体 造成严重大气污 染 nullnull 农村生活方面 农村燃煤供暖 垃圾焚烧和填 埋都造成大量 nullnull null 排放 nullnull 因此 我国急需针对农 业高碳排放问题 进行能源供给方式的转变 文献 nullnull 提出要加快农村用能方式变革 加强 小水电代燃料生态保护工程建设 加快推进新农村电 气化 加强农村农业生活节能减排工作 文献 nullnull 主张将生物质能热电联产 分布式光伏风电等多种能 源开发方式有机结合 形成智能高效的区域能源网络 和能源综合梯级利用的系统 满足农业现代化建设中 能量需求的同时 减少农业碳排放 农业电气化是推 动农业现代化建设的重要动力 电能替代传统化石原 料 是农业领域实现碳减排的重要手段 nullnull 世纪 nullnull 年代以来 变频电机水泵 nullnull 静电杀虫除草 nullnull 等以 电能替代化石燃料供能的农业生产设备在农村广泛 应用 大大提高了农业清洁化程度 农业能源互联网作为能源与农业深度耦合的产 物 是实现 双碳 目标的重要手段 农业能源互联 网涉及农业 能源 信息三个领域交叉融合 信息流对 能源流进行控制 能源流保证农业生理特征 nullnull 文 献 nullnull 分析了光伏与农作物的争光现象 建立了农 业与能源的空间耦合模型 文献 nullnull 研究了农业 气象 能源耦合机理 介绍了三者耦合的国内外先进 应用 为我国未来农业能源互联网发展提供了参考 文献 nullnull 介绍了农村农业能源发展中先进的能源和 信息化技术 认为通过农业能源互联网的建设 发展 低碳化的农村能源 可以实现农业碳中和 文献 nullnull 总结了农业能源互联网的安全分析技术 对农 业能源互联网带来的安全问题进行探索 保证能源 粮食双重安全 农业能源互联网已成为农业综合能 源体系的延伸 成为中国农业发展的必然趋势 nullnull 本文以园区农业能源互联网为研究对象 主要创 新如下 null 提出面向农业能源互联网碳循环的核算 方法 null 基于农业可时移柔性负荷 以计及碳交易费 用的园区日运行成本最小为目标函数 对农业园区用 能进行优化调度 减少园区碳排放 实现农业园区碳 中和 为核算农业园区各环节碳排放量 减少农业园区 碳排放 本文首先明确所研究的农业园区碳核算边界 及内容 其次建立能源设备及碳排放模型 电热储能 模型 温室电热负荷模型及运行优化调度模型 最后 以园区日运行成本最低为目标函数进行优化调度仿 真 得出农业园区各环节碳排放数据 1 研究框架 1 1 农业园区碳核算边界及内容 本文以园区行政边界为系统边界 核算边界内的 直接碳排放 源自边界内活动但发生在外部的间接碳 排放及碳减排 碳吸收情况 本文研究的碳内容包括 null 个方面 新能源碳减排 光合作用碳吸收 燃气碳排 放 购电间接碳排放 如图 null 所示 null 光伏发电碳减排 本文因园区的光伏发电量 较小 在优化调度后基本实现全部消纳 故不考虑光 伏并网的情况 计算碳减排量时 按照消纳光伏电量 通过国家核证自愿减排量 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 的中国区域电网基准线排放因子 进行核算 null 植物光合作用碳吸收 植物光合作用的碳吸 收量通过当地光照等气象数据计算植物光合作用强 度 进而计算碳吸收量 null 第 nullnull 期 牛浩森 等 可再生能源为主体的农业能源互联网碳循环建模与优化 nullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull 图 1 碳核算内容 Fig 1 Content of carbon accounting null 沼气发电机组 热电联产 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull 机组及辅助锅炉燃气直接碳排放 该 部分的碳排放来源为天然气 沼气的燃烧 通过核算 机组使用的燃料量 计算燃烧所释放的 nullnull null 量 通过 核算机组的电 热出力 计算机组所分配的碳配额量 null 外购电力间接碳排放 该部分的碳排放不直 接来自园区内发电所带来的碳排放 属于园区间接碳 排放 根据当地电网的碳排放因子进行核算 这部分 碳排放所需配额成本由园区承担 1 2 农业能源互联网及碳循环框架 农业能源互联网是将冷 热 电 气等多种能源组 成的综合能源系统与农业生产相结合 提高能源利用 效率 降低环境污染的同时实现农业集约化发展 本 文研究的农业能源互联网碳循环 是通过新能源的减 排潜力 温室作物的光合碳吸收能力 将园区能源设 备包括热电联产机组 沼气发电机组产生的碳排放及 购电间接碳排放进行吸收 实现园区碳中和的目标 农业能源互联网及碳循环框架如图 null 所示 具体研究框架为 通过光照强度 温度等天气因 素 确定温室作物净光合速率 核算吸碳量 通过光照 强度 温度等天气因素 确定园区光伏发电出力情况 根据园区负荷数据计算光伏消纳量 进而确定光伏减 碳量 在光伏出力为零或光伏出力不足以满足电负荷 需求时 根据农业园区电 热负荷数据 确定沼气机组 nullnullnull 机组及辅助锅炉的出力情况 计算燃气耗量 进而 计算园区内能源设备的直接碳排放 在内部能源设备 无法满足园区能源需求情况下 从外界获取能源 如外 购电力 并将这部分电力等效为园区的间接碳排放 将四部分碳内容分别核算完成后 计算园区日碳排放 总量 结果为正则碳排放大于碳减排 为负则碳排放 小于碳减排 通过分别计算一年内夏季 冬季 过渡季 典型日的日碳排放量 核算园区年度碳排放 2 能源设备及碳模型 农业园区的能源设备是园区电 热能源的主要来 源 也是园区碳排放的主要核算目标 当内部能源设 备无法满足园区内生产生活需要 则从外界获取能 源 本节分别介绍了光伏发电及其碳减排模型 沼气 发电及其碳排放模型 nullnullnull 机组及其碳排放模型以 及电网购电碳排放模型 null 电 力 建 设 第 43 卷 nullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull 图 2 农业能源互联网及碳循环框架 Fig 2 Agricultural energy internet and carbon cycle framework 2 1 光伏发电碳减排模型 光伏发电的输出功率由气象因素中的光照强度 和环境温度决定 其输出功率如式 null 所示 nullnull P nullnull P nullnullnullnull G null G null null null T null T null null 式中 P nullnull 为光伏发电装置的输出功率 P nullnullnullnull 为标准 测试条件下光伏发电装置的最大输出功率 G null 为实 际辐照强度 G null 为标准测试条件下的辐照强度 null 为 功率温度系数 T null 为实际光伏发电装置温度 T null 为标 准测试条件下的光伏发电装置温度 光伏发电属于新能源发电 其碳排放可以根据生 态环境部发布的 nullnullnullnull 年度减排项目中国区域电网 基准线排放因子 计算 如式 null null 所示 nullnull V nullnullnullnullnull null P nullnull E null null E null nullnull E nullnullnull nullnull E nullnullnull null 式中 V nullnullnullnullnull null 为光伏发电减排量 E null 为电网基准线排 放因子 E nullnullnull 为电量边际排放因子 E nullnullnull 为容量边际 排放因子 2 2 植物光合碳吸收模型 农业园区内的作物具有固碳作用 其碳汇是吸收 园区内 nullnull null 的重要形式 将 nullnullnull 机组 沼气发电机 组产生的 nullnull null 送入温室中供给作物进行光合作用 不 仅可以促进作物的生长发育还能有效降低发电带来 的碳排放污染 对实现园区农业能源互联网碳中和具 有重要意义 本文采用的碳吸收模型如式 null null 所式 nullnull V nullnullnullnullnull null C nullnull C nullnullnull N nullnull W V L nullnull S q nullnull null q nullnull nullnullnull a C nullnull b c T d null nullnullnull e I nullnull f null 式中 q nullnull 为单位叶面积净光合作用速率 a b c d e 和 f 是可以通过拟合实验数据来计算的模型参数 C nullnull 和 C nullnullnull 分别为温室内外的 nullnull null 浓度 W 为风速影响因 子 T 为温室温度 I nullnull 为温室光照强度 L nullnull 为叶面积指 数 N nullnull 为每秒换气次数 V 为温室大棚体积 S 为叶 面积 2 3 沼气发电及碳排放模型 沼气发电机组是现代农业园区可再生能源发电 的重要设备 对处理农业废弃物及供给电能有着重要 意义 本文假设所用沼气中仅含有 nullnull null 和 nullnull null 其中 nullnull null 体积分数为 nullnullnull nullnull null 体积分数为 nullnullnull 沼气发 电功率如式 null 所示 nullnull P nullnullnullnullnullnull V nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull L nullnull null 式中 P nullnullnullnullnullnull 为沼气发电功率 V nullnullnullnullnullnull 为沼气流量 null nullnullnullnullnullnull 为沼气发电效率 L nullnull 为沼气热值 如式 null 所示 L nullnull null nullnull null N nullnull null 式中 null nullnull null 为 nullnull null 在沼气中的体积分数 N nullnull 是天然气 的低位发热量 沼气发电的碳排放由沼气池泄漏甲烷的 nullnull null 当 量 沼气中的 nullnull null 量及甲烷燃烧产生的 nullnull null 量构成 假设沼气泄漏量为 nullnull 沼气发电 nullnull null 排放量如式 null nullnull 所示 nullnullnullnullnull V null V nullnullnullnullnullnull null nullnull nullnull nullnull nullnull null nullnull null null G nullnullnullnull null null null 第 nullnull 期 牛浩森 等 可再生能源为主体的农业能源互联网碳循环建模与优化 nullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull V null V nullnullnullnullnullnull nullnull nullnull null nullnull null nullnull nullnullnull nullnull null V null V nullnullnullnullnullnull null nullnull null N nullnull C nullnullnull null O nullnullnull null nullnull nullnull nullnull V nullnullnullnullnullnullnullnullnull null V null V null V null nullnull 式中 V nullnullnullnullnullnullnullnullnull null 为沼气发电总碳排放量 V null 为沼气池泄 漏的甲烷的 nullnull null 当量 V null 为沼气中的 nullnull null 量 V null 为甲 烷燃烧产生的 nullnull null 量 null 为甲烷的密度 G nullnullnullnull null 为甲烷 气体相对于 nullnull null 的全球变暖潜力 null nullnull null 为 nullnull null 在沼气 中的体积分数 C nullnullnull null 为天然气的单位热值含碳量 O nullnullnull null 为天然气的碳氧化率 本文的沼气发电仅产生电力 故该机组属于纯凝 机组 其碳配额如式 nullnull 所示 nullnull A nullnullnullnullnullnull P nullnullnullnullnullnull B null F null nullnull 式中 A nullnullnullnullnullnull 为沼气发电机组碳配额 B null 为机组所属类 别的供电基准值 F null 为机组供热量修正系数 纯凝机 组供热量修正系数为 null 2 4 CHP 机组及碳排放模型 热电联产机组是农业园区电能 热能的重要来 源 通过燃气轮机 余热回收装置及辅助锅炉的配合 实现发电产热同时进行 其发电功率和产热功率分 别如式 nullnull nullnull 所示 nullnull P nullnullnull t null k i null null i t P nullnullnull i P nullnullnull nullnullnull nullnull Q nullnullnull t null k i null null i t Q nullnullnull i Q nullnullnull nullnullnull nullnull null k i null null i t null 运行 null 停运 nullnull 式中 P nullnullnull t 为 nullnullnull 机组在 t 时刻的发电功率 Q nullnullnull t 为 nullnullnull 机组在 t 时刻的产热功率 P nullnullnull i 和 Q nullnullnull i 分别为 nullnullnull 机组在第 i 个极限运行点的发电和 产热功率 P nullnullnull nullnullnull 和 Q nullnullnull nullnullnull 分别为 nullnullnull 机组的最小 发电功率和最小产热功率 null i t 为 nullnullnull 机组在 t 时 刻关于第 i 个极端运行点的端点系数 取值范围为 null null k 为多面体操作区域运行极限点数量 燃气 轮机天然气耗量如式 nullnull 所示 nullnull V nullnullnull Q nullnullnull null null n