基于安全性及“双碳”目标的设施农业供电系统优化.pdf
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1、35电力安全技术第25卷(2023年第6期)基于安全性及“双碳”目标的设施农业供电系统优化罗依雯1,王江波2(1.国网湖南省电力有限公司长沙供电分公司,湖南 长沙 410004;2.中国农业大学信息与电气工程学院,北京 100083)Optimization of Facility Agricultural Power Supply System Based onSafety and Double Carbon GoalsLUO Yiwen1,WANG Jiangbo2(1.Changsha Power Supply Company,Changsha 410004,2.College of I
2、nformation and Electrical Engineering of China Agricultural University,Beijing 100083)摘 要 以广泛存在于新型农业中的可时移农业负荷为研究对象,提出了基于安全性及“双碳”目标的设施农业交直流混合供电系统优化模型并通过遗传算法求解得到最优方案。该模型以可时移负荷投切状态、储能 SOC 值以及电网购售电功率为控制变量,得到初始成本、供电成本、节能减排成本最低的各负荷工作电压等级以及负荷与储能电网协同工作模式,通过合理安排可时移负荷工作时间以及储能出力满足对上级电网削峰填谷、减小负荷季节性扰动以及降低损耗节约成本的
3、要求,在避免了天气因素的影响、保障系统运行安全的同时,助力设施农业“双碳”目标的实现。关键词 设施农业;交直流混合供电;可时移负荷;“双碳”目标Abstract:Taking the time-movable agricultural load widely existing in the new agriculture as the research object,the optimization model of facility agricultural AC-DC hybrid power supply system based on the goal of safety and do
4、uble carbon is proposed and the optimal solution is obtained from genetic algorithm.The model takes the time-shift load cut state,the SOC value of energy storage and the power purchased and sold from the power grid as control variables to obtain the initial cost,power supply cost,the lowest energy c
5、onservation and emission reduction cost of each load working voltage level and the collaborative working mode of the load and energy storage grid.By reasonably arranging the time-shiftable load working time and energy storage output to meet the requirements of cutting peaks and filling,reducing the
6、seasonal disturbance of load,and reducing losses and saving costs of the superior power grid,it helps to achieve the double carbon goals of facility agriculture while avoiding the impacts of weather factors and ensuring the safety of system operation.Key words:facility agriculture;AC-DC hybrid power
7、 supply;time-shiftable load;double carbon goals中图分类号:TM721.3 文献标识码:A 文章编号:1008-6226(2023)06-0035-070引言随着“双碳”目标的提出,节能减排已成为各行业关注的焦点。对于电力行业而言,节能减排的主要途径为资源的高效清洁利用及电能的就地消纳。伴随着农业智能化发展,新型农业负荷层出不穷,导致农业负荷在总负荷中的占比明显上升。因此,在推进“碳减排”的过程中不仅需要以工业负第25卷(2023年第6期)电力安全技术36荷减排为主,还需以农业负荷作为补充,共同助力“双碳”目标实现。设施农业的发展提供了农作物生长的
8、最佳环境并促使其反时节和高效率生产,为农产品的优质与高效益产出提供了基础,也拓宽了农业发展的前景1-4。农业负荷比重的日益增加使得其对“双碳”目标的助力作用具有较深的挖掘空间,对可时移农业负荷投切状态进行合理调控,不仅可以降低电力系统运行成本、优化系统经济性,同时还能提升光伏发电的消纳水平5,6。目前,部分农业负荷在入网运行中仍存在一定的困难,且受天气因素的影响较大,尤其在极端天气情况下暴发式增长的负荷会给电网带来安全运行的隐患。为解决部分设施农业负荷直流接入的问题,提出构建设施农业交直流混合供电系统优化模型。与传统的交流供电系统相比,该系统优势有:减少交直流变换过程与电力电子设备的投入使用7
9、-12,降低了设备生产与系统建设的难度13-15,节约了初始投资成本;不间断供能,减少农作物因停电带来的减产,提高产出效益;电能损耗降低,符合国家节能减排的发展趋势16。构建设施农业交直流混合供电系统,首先需要实现以友好方式容纳各电压制式设施农业负荷的交直流混合供电模式,其次在此基础上建立以年度供电投资与节能减排投资为目标的交直流混合供电系统数学优化模型,最后通过采用基于矩阵实数编码的遗传算法求解得到最优供电方案17。该方案既可在满足经济性要求下保障各类设施农业负荷的大量接入,又满足系统整体节能减排要求,为灵活、高效、环保、安全用电与“双碳”目标的实现提供参考。1设施农业交直流混合供电系统模型
10、优化1.1系统结构设施农业交直流混合供电系统中交流部分与大电网相连,直流部分与光伏及储能相连,中间通过友好并网装置相连,以能量路由器传输双向能量流,交直流母线上接有相应电压等级的设施农业负荷。供电结构如图 1 所示。1.2负荷安全性分析传统农业负荷受季节及天气的影响较大,例如天气预报未来几天会有强降雨,农民希望在暴雨来临前完成农作物收割,这就导致农业负荷大规模使用,对相对薄弱的农村电网造成冲击,影响供电安全可靠性。为了减小负荷扰动,保障系统安全,采用受天气影响较小的设施农业一体化园区式供电模式进行分析。图 1设施农业交直流混合供电结构1.3负荷用能分析根据设施农业负荷用能分析,设施农业负荷主要
11、有 LED 植物生长照明、等离子固氮与水处理、沼气池热泵、远红外补温、量子能供热机组、物理杀虫灯、水肥一体化泵、空间电场、卷帘电机、开窗电机、智慧农业监测控制系统、A 字架区域回水泵与声波助长等。负荷按时移特性可分为可时移负荷与非时移负荷,可时移负荷指工作时段可根据实际需要进行调整的负荷,非时移负荷指工作时间固定不能调整的负荷。负荷电压等级一般为 DC 48 V或 AC 220 V,考虑到负荷的典型性,在算例中选取其中的主要负荷用于后续分析,其时移特性及能耗如表 1 所示。表 1每平方米负荷时移特性及能耗单位:W负荷类型额定功率非时移负荷LED 植物生长照明9.00远红外补温4.50卷帘电机0
12、.37开窗电机0.03智慧农业监测控制系统0.30可时移负荷水肥一体化泵 12.25水肥一体化泵 21.12量子能供热机组19.50物理杀虫灯0.45等离子固氮与水处理0.75光伏板转移开关直流母线交流母线并网开关蓄电池电网光伏控制器能量路由器设施农业直流负荷设施农业交流负荷友好并网装置光伏板37第25卷(2023年第6期)电力安全技术1.4交直流混合供电系统优化模型在满足设施农业负荷功率需求、投切状态限制、系统功率平衡、各发电单元收发功率以及与大电网交互功率限制的前提下,制定设施农业负荷电压制式选择计划、可时移负荷时移计划、各发电单元收发计划以及电网购售电计划,使得供电总成本及“双碳”目标节
13、能减排成本(即环境投入)尽可能少。1.4.1 控制变量控制变量CV为当前时刻系统运行状态矩阵:CV=PG,x1,x2,xi,u1,u2,ui,SSOC (1)式中:PG为电网交互率;xi为第i个可时移负荷工作状态,1 为投入使用,0 为未投入使用;ui为第i个负荷电压等级选择结果;SOC 为储能荷电状态,其值为SSOC。1.4.2 优化目标年度供电总投资成本目标函数为:式中:Di表示一年内晴天或阴天天数,i=1 时为晴,i=2 时为阴;CGR(t)为当前时刻购售电价格;P48ij表示两种天气当前投入的第j个直流负荷的额定功率,xij为其对应工作状态,取 0 或 1;P220ik表示两种天气当前
14、投入的第k个交流负荷的额定功率,xik为其工作状态;m与n分别为直流负荷和交流负荷的个数;Pie为两种天气第e个可调度型微电源提供的功率;M为可调度型微电源的总数;Ce为其发电成本,C48j与C220k分别为交直流负荷的初始成本,Cv为并网逆变器成本,Cc为“双碳”目标节能减排成本即环境投入成本。1.4.3 约束条件(1)功率平衡约束条件:式中:Ppv为光伏发出功率,Pbat为储能收发功率,NTS为可时移负荷数,xi为第i个可时移负荷工作状态,PTSi为其对应额定功率,NNTS为非时移负荷个数,Xj为第j个非时移负荷工作状态,PNTSj为其对应额定功率。(2)光伏发电约束条件:0PpvPpv-
15、max (4)式中:Ppv-max为光伏当前最大可输出功率。(3)蓄电池容量平衡与荷电状态约束条件:Wt+1=Wt+PbattSSOCminSSOCSSOCmax (5)Pmax-dischargePbatPmax-charge式中:Wt+1为蓄电池在t时刻末的容量,Wt为蓄电池在t时刻初的容量,t为步长,一般为1 h;SSOCmin与SSOCmax分别表示蓄电池荷电状态的上限和下限;Pmax-discharge与Pmax-charge分别表示蓄电池最大放电与最大充电功率。(4)系统与电网交互能量约束条件:式中:Psell为系统售电量,Psellmax为最大售电量;Pbuy为系统购电量,Pbu
16、ymax为最大购电量。(5)可时移负荷工作时长功率约束条件:式中:CL为相应电压等级下的可时移负荷工作时长功率约束矩阵,式中 Si为第i个可时移负荷每日工作总时长,STSi为其对应额定功率。算法中CL48 v为 DC 48 V 下的可时移负荷工作矩阵,CL220 v为 AC 220 V 下的可时移负荷工作矩阵,其初始状态均为 52 的零阵。(6)可时移负荷时移范围约束。5 个可时移负荷中水肥一体化泵、物理杀虫灯、等离子固氮与水处理时移范围为(0:0024:00),量子能供热机组时移范围为(21:007:00)。(7)碳配额的约束条件条件:式中:sellc和buyc表示出售和购买碳配额的综合能源
17、系统,in,sellEci,t和in,buyEci,t表示代表第i个综合能源系统在某个时间向市场出售和购买的碳配额,in,sellEci,t和in,buyEci,t则表示同一时间段向外部能源零售商出售和购买的碳配额。如果园区实际碳排放高于政府授予的碳配额就需要从市场购买,反之则可出售,整个过程是平衡的。minQ=Di CGR(t)(P48ijxij+P220ikxik-Pie)+CePie+2i=124t=1mj=1Me=1 C48j+C220k+Cv+Ccnk=1mj=1Me=1nk=1(2)Ppv+Pbat+PG=xiPTSi+xjPNTSj (3)NTSi=1NNTSj=1PsellPs
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