面向设施农业的光伏-多形态储能联合优化调度控制.pdf

第10 卷 第7 期 农 业 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 基金项目 国家电网公司总部科技项目 项目编号 5400 201933453A 0 0 00 作者简介 何欣 硕士 高级工程师 研究方向 电力系统及其自动化 E mail 122468126 qq com 黄扬 通信作者 硕士生 研究方向 农村配电网优化控制 E mail huangyang19900101 163 com 在线投稿 www d1ae com 面向设施农业的光伏 多形态储能联合优化调度控制 何 欣 1 郝如海 1 黄 扬 2 井天军 2 周鹿鸣 2 1 国网甘肃省电力公司电力科学研究院 甘肃兰州 730050 2 中国农业大学信息与电气工程学院 北京 100083 摘 要 目前 设施农业负荷增长迅速 已经成为光伏等可再生能源消纳的重要支撑力量 但是缺乏针对设施农业系 统的调度控制方法 无法有效实现光伏等可再生能源的就地消纳 使得光伏大量倒送农村配电网 影响配电网的安全 稳定运行 针对上述问题 构建设施农业系统协调优化调度模型 考虑光伏出力特性 分时电价及多形态低成本储能 响应特性 算例结果表明 该系统可以最大化实现光伏就地消纳 减少光伏倒送对配电网的影响 实现设施农业系统 经济运行 关键词 设施农业 储能 联合调度控制 光伏发电 空气源热泵 中图分类号 TM926 文献标识码 A 文章编号 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 近年来 我国光伏发电装机量不断提高 截至 2019 年底 全国光伏发电装机达到2 04 亿 kW 新 增3 011 万kW 1 虽然我国经济仍稳步发展 但是 就短期而言 工业发展仍面临不少问题和困难 增速 可能进一步趋缓 2 受到上述因素的影响 我国光 伏发电的快速增长与消纳的矛盾更加突出 另一方 面 我国广大农村用电需求量不断提升 尤其是随着 设施农业的发展 农业负荷用电量急剧增加 为光伏 发电的消纳提供了新的选择 目前 针对工商业负荷特性的研究较多 蒯圣宇 等 3 通过分析电动汽车充电负荷响应特性 建立电 动汽车充电负荷调度潜力评估模型 实现负荷曲线的 优化 提高了电网运行稳定性 陈凯炎等 4 提出一 种基于V2G技术的电动汽车调度方法 通过 IEEE33 节点配电网算例验证该方法可以有效降低充电成本与 电网网损成本 樊国伟等 5 对电解铝 冶金和煤炭 等高载能负荷进行研究 将其与风 光 火发电进行联 合调度 实现可再生能源的充分消纳 南思博等 6 提出一种智能小区柔性负荷实时调度技术 有效降低 用户用电成本 减小了负荷的峰值 姜婷玉等 7 针 对空调负荷聚合模型进行了研究 在削峰填谷 平衡 新能源波动方面具有重要作用 但是 针对农业负荷 农业工程 信息与电气化 的研究较少 张新等 8 以农业负荷为研究对象 提 出以沼气作为气源的冷 热 电 气农村多能流微能网 架构 建立农村微能网优化调度模型 最终实现农村 微能网的经济运行 当前设施农业负荷增长迅猛 已经成为消纳光伏 的重要力量 但缺乏有效的调度控制方法实现光伏电 能的就地使用 使得光伏倒送严重 影响农村配电网 的安全稳定运行 针对上述问题 本研究搭建设施农 业温室结构 建立设施农业负荷控制优化模型 以设 施农业温室电热综合运行成本最低为优化目标 考虑 光伏出力的特性 分时电价及多形态储能响应特性 利用粒子群算法对上述模型进行求解 以期实现设施 农业温室合理稳定运行和光伏电能消纳的最大化 1 设施农业温室结构 图1 为设施农业温室外部结构 设施农业温室顶 部为太阳能光伏板 温室的3 个侧面为砖混保温墙 温室的斜面采用阳光板 图2 是设施农业温室内部结 构 其内部配置 LED 补光灯 等离子固氮 空间电 场 物理杀虫灯 空气源热泵 蓄水储能和相变蓄热 储能等装置 9 设施农业温室热负荷数学模型如式 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 设施农业温室热负荷 Q 1 传热负荷 Q 2 渗透热负荷 Q 3 地面热负荷 s j 设施农业温室顶部阳光板和侧面保温墙 的传热系数 a j 设施农业温室阳光板截面积和侧面保温 墙部面积 t in 设施农业温室内部的温度 t out 设施农业温室外部的温度 k 风力因子 v 设施农业温室的空气体积 n 换气次数 s i 地面传热系数 a i 面积 2 设施农业负荷功耗模型 2 1 LED补光灯 LED补光灯可以在外部阴雨天或者自然光照不 图1 设施农业温室外部结构 Fig 1 External structure of facility agriculture 图2 设施农业温室内部结构 Fig 2 Internal structure of facility agriculture 足的情况下提高植物的光合作用 其具有结构简单 性价比高的特点 10 LED 补光灯负荷模型如式 5 所示 P LED t p LED N t T i 1 t e i t s i 5 式中 p LED 单只补光灯的功率 N t 特定时间段需要开启补光灯的数量 该系数和设施农业当地的气象条件密切相关 T 补光灯总的工作时段数 t e i 补光灯第i个工作时段结束运行的时间 t s i 补光灯第i个工作时段开始运行的时间 2 2 等离子固氮 近年来 等离子体技术在无机材料合成 高分子 合成及有机合成等方面应用广泛 利用放电等离子体 技术实现水中固氮制硝酸 是以取之不尽的空气和水 作为基本原料 反应过程无需辅以高温 高压催化 剂 是一种具有潜力的绿色固氮新技术 11 等离子 固氮负荷模型如式 6 所示 P Plasma t P Plasma s it 6 式中 P Plasma 等离子固氮装置额定功率 s it 负荷i在时段 t 的工作情况 工作时取 1 否则取0 05 何欣 等 面向设施农业的光伏 多形态储能联合优化调度控制 2 3 空间电场 本研究采用的空间电场 其工作原理是高压发生 器产生45 kV的直流高压 作用在细导电丝上 产生 电晕放电 从而促进植物的生长 同时具有消除温室 内雾气和湿气的作用 12 空间电场的负荷模型如式 7 所示 P selectric t P selectric s it 7 式中 P selectric 空间电场装置的额定功率 2 4 温室物理杀虫灯 温室的害虫是农作物大面积减产或绝收的重要因 素 然而大量喷洒农药会影响农产品的品质 危害健 康 破坏环境 物理杀虫技术基于害虫的趋光性和对 各类颜色的敏感性 利用高压电去除害虫 其具有经 济环保的优点 9 温室物理杀虫灯负荷模型如式 8 所示 P pinsecticidal t P pinsecticidal s it 8 式中 P pinsecticidal 温室物理杀虫灯的额定运行功 率 2 5 空气源热泵 空气源热泵由电能驱动压缩机运转 将空气中的 能量转移至室内实现加热 设备配置简单且不会排放 有害气体 在供热的同时也能做到节能环保 空气源 热泵的负荷模型如式 9 所示 Q HP t C HP P EHP s it 9 式中 Q HP t 空气源热泵在t时刻的输出热功率 C HP 空气源热泵制热系数 P EHP 空气源热泵在t时刻的用电功率 3 蓄水储能模型 设施农业温室中设置蓄水泵 蓄水泵由光伏电能 驱动 当光伏电能不能完全消纳时 驱动蓄水泵工作 将水抽送到地势相对较高的蓄水池中进行储存 9 在植物生长需要水时 无需使用电能驱动水泵工作 直接靠势能灌溉作物 水泵工作时电动机运行在额定 运行状态 如式 10 所示 P pumpe t P pump pump s it 10 式中 P pumpe t 直流电机在t时刻输出的机械功 率 P pump 蓄水泵的耗电功率 pump 直流电机电功率转化为机械功率的 效率 4 相变蓄热储能模型 相变蓄热是利用相变材料在物态变化过程中吸收 或放出的热量进行能量存储或释放 从而实现能量在 时间和空间上的转移 相变蓄热储能的充放能特性与 蓄电池类似 故采用的数学模型如式 11 所示 E t E t 1 1 TP eh t ch TP dis t dis 11 式中 E t 相变蓄热储能装置在t时刻的热能量 相变蓄热储能装置自放能系数 P eh t 相变蓄热储能装置在 t 时刻的充热 效率 P dis t 相变蓄热储能装置在t 时刻的放热 功率 ch 相变蓄热储能装置充热效率系数 dis 相变蓄热储能装置放热效率系数 T 单位时段 5 光伏与储能联合调度控制模型 在设施农业温室各负荷和储能数学模型的基础 上 建立设施农业温室光伏与储能联合调度模型 以 设施农业温室综合电热运行成本最低为目标函数 考 虑各种相关约束 采用粒子群算法进行求解 根据求 解结果制定调度策略 5 1 目标函数 设施农业温室综合电热运行成本包括从配电网购 电成本和各装置维护成本 目标函数如式 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 从配电网购电价格 P grid t 从配电网购电功率 C i t 第i个装置的单位功率维护费用 P i t 第i个装置的电功率 Q r t 第r个装置的热功率 5 2 约束条件 1 电功率平衡约束 P grid t P PV t P e t P EHP t P pump t 13 式中 P PV t 光伏发电功率 P e t 设施农业温室电负荷 P EHP t 空气源热泵耗电量 P pump t 蓄水泵耗电量 2 热功率平衡约束 Q HP t Q hstor t Q h t 14 式中 Q hstor t 相变蓄热储能充热或者放热功率 Q h t 设施农业温室热负荷 3 设施农业温室装置约束 P min i P i t P max i i 1 n 15 15 农业工程 信息与电气化 Q min r Q r t Q max r r 1 m 16 式中 P min i 各供电装置的最小功率 P max i 各供电装置的最大功率 Q min r 各供热装置的最小荷功率 Q max r 各供热装置的最大荷功率 4 储能装置约束 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 相变蓄热储能装置最小容量 E max 相变蓄热储能装置最大容量 P dmax 相变蓄热储能装置最大放热功率 P cmax 相变蓄热储能装置最大充热功率 6 算例分析 以中国西部某地区新建设施农业温室为例 验证 所提调度模型的合理性 电网电价采用分时电价 设 施农业温室供能和储能装置参数如表 1 所示 6 8 9 冬季典型日光伏 电热负荷曲线如图3 所示 表1 设施农业温室供能和储能装置参数 Tab 1 Parameters of energy supply and energy storage devices for facility agriculture 设备 参数 取值 光伏发电 最大发电功率 kW 12 维护成本 元 kW 1 0 03 蓄水泵 最大输出功率 kW 2 2 扬程 m 25 流量 m 3 h 1 22 额定电压 V 220 维护成本 元 kW 1 0 02 蓄水池 容量 m 3 45 空气源热泵 最大输入功率 kW 5 制热效率系数 3 7 维护成本 元 kW 1 0 02 相变蓄热储能 最大充热效率 0 2 最大放热效率 0 2 最大荷热状态 0 9 最小荷热状态 0 1 维护成本 元 kW 1 h 1 0 02 容量 kW h 50 图3 光伏和电热负荷曲线 Fig 3 Photovoltaic electricity heating load curves 图4 是冬季典型日相变蓄热储能装置运行功率 曲线 纵坐标正值为相变蓄热储能装置蓄热功率 纵坐标负值为相变蓄热储能装置放热功率 在 11 00 16 00时 由于光伏出力值大于设施农业温 室电负荷需求量 故将多余光伏出力通过空气源热 泵转化为热量放入相变蓄热储能装置进行储存 在 16 00 24 00 时 优先将相变蓄热储能装置中的 热量放出满足设施农业温室热负荷需求 不足的部 分靠空气源热泵满足 图4 相变蓄热储能装置功率曲线 Fig 4 Power curve of phase change thermal storage 图5 是蓄水储能装置的蓄水量曲线 在 08 00 时将蓄水池的阀门打开 水靠势能流出 对农作物进 行灌溉 在11 00 时以后 光伏出力大于设施农业 温室电负荷需求 利用多余的光伏电能控制蓄水泵将 蓄水池充满 在次日08 00 时放出灌溉农作物 图5 蓄水储能装置的蓄水量曲线 Fig 5 Water storage curve of water storage device 假设设施农业系统不优化 电负荷由光伏和配电 网功率满足 热负荷由空气源热泵满足 则计算得到 设施农业系统电热综合运行日费用为39 46 元 采用 本研究所提优化调度模型得到设施农业系统电热综合 运行日费用为38 91 元 日运行费用相比优化前降低 1 4 实现了设施农业系统的经济运行 7 结论 本研究构建了设施农业温室结构 建立了设施农 25 何欣 等 面向设施农业的光伏 多形态储能联合优化调度控制 业负荷功耗模型 相变蓄热储能装置模型和蓄水储能 装置模型 以设施农业温室综合电热运行成本最低为 优化目标 构建考虑光伏出力特性 分时电价及设施 农业生产用能和储能特性的协调优化模型 算例结果 表明 相变蓄热储能装置和蓄水储能装置实现了多余 光伏最大化就地消纳 减少了光伏外送对配电网稳定 性的影响 实现了设施农业系统的经济运行 证明了 该调度控制模型的合理性 参考文献 1 国家能源局 国家能源局关于2020 年风电 光伏发电项目建 设有关事项的通知 解读 EB OL 2020 03 10 http www nea gov cn 2020 03 10 c 138862170 htm 2 国家统计局 预计2019 年 GDP 增长6 3 EB OL 2019 01 08 https baijiahao baidu com s id 1622051497976098287 wfr spider for pc 3 蒯圣宇 田佳 马静 等 电动汽车充电负荷的调度效益及潜 力研究 J 电子测量技术 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 陈凯炎 牛玉刚 基于 V2G 技术的电动汽车实时调度策略 J 电力系统保护与控制 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 樊国伟 樊国旗 蔺红 等 含高载能负荷的风 光 火联合电 调度研究 J 安徽电力 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 李庚银 周明 等 智能小区可削减柔性负荷实时需 求响应策略 J 电力系统保护与控制 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 王冲 考虑用户调节行为随机性的空调负荷聚 合功率模型 J 电力系统自动化 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 张新 张漫 王维洲 等 基于改进杂交粒子群算法的农村微 能网多能流优化调度 J 农业工程学报 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 周鹿鸣 设施农业微型能源网络的光伏消纳与用能协调控制研 究 D 北京 中国农业大学 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 申宝营 丁为民 惠娜等 夜间补光对黄瓜幼苗形态的调节与 补光方式的确定 J 农业机械学报 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 高压脉冲放电等离子体固氮及其机理的研究 D 苏 州 苏州大学 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 陈淑英 李旭英 刘宇 等 空间电场对土壤水分和大麦生长 的影响 J 农业工程学报 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