基于可时移负荷调度的农业园区近零碳实现方法

李津, 李佳宁, 周强, 陈伟

(1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院,甘肃 兰州 730050; 2.兰州理工大学,甘肃 兰州 730050)

0 引 言

能源碳排放在各类碳排放中所占比重较大,是节能减排的主力军,对于低碳经济的实现和人类的可持续发展都具有重要意义[1］。目前农业温室气体排放已经上升到了第二位,仅次于工业温室气体排放,农业碳排放量已高达全球人为排放总量的23%[2］。现代设施农业产业园拥有丰富的负荷设备,含有大量的设施农业负荷和可时移负荷,在园区通过对包含电、气、热等多能耦合系统的合理规划和运行优化控制,可减少环境污染,提升系统能源利用效率和经济性[3-5］。

传统农业园区优化方法无法考虑设施农业能源使用量大且调度频繁的现实情况进行园区能源碳减排。设施农业的丰富可时移负荷以及农业园区新能源的广泛使用为农业碳减排提供了新的方向[6］。结合设施农业园区负荷多样性与可时移特性,有必要将新能源出力与负荷消纳相结合进行策略优化,以实现设施农业园区综合能源系统近零碳运行。

1 设施农业园区负荷特性分析

设施农业产业园区综合能源系统可分为供能系统、能源耦合系统和用能系统。从供能侧分析,园区以风光产电产热为主,供能形式具有强时间关联特性。从用能侧分析,园区温室内包含大量可时移负荷,例如植物营养液循环回收系统、等离子固氮与水处理装置等在所属可工作时段内可平移其工作时间,而部分可时移负荷在用能时间上又具有互补特性,例如等离子固氮与水处理装置和远红外加热装置,它们的能耗量相同,均为2 kW,而等离子固氮与水处理装置的可工作时段为09∶00—18∶00,远红外加热装置的可工作时段为20∶00—06∶00,这样能够有效消减负荷高峰。通过对可时移负荷的有效调控,使负荷根据自身情况适时启停,配合园区包括蓄水池、沼气池、相变蓄热器和储能电池等储能装置对园区供能系统进行整体控制,可有效提高风光消纳率,从而减少园区能源供应碳排放。

2 设施农业园区近零碳实现策略

本文所研究设施农业产业园地处西北地区,拥有较为优质的光资源禀赋,最便捷的近零碳实现途径为大规模利用光资源进行园区供能。基于可时移负荷的园区近零碳综合能源系统整体控制原理如图1所示。

图1 园区光储热综合能源系统整体控制原理图

园区综合能源系统功率差额为:

PFlu(t)=PPV(t)-PEload(t)

(1)

式中:PFlu(t)为t时刻系统功率差额;PPV(t)、PEload(t)分别为t时刻光伏出力与电负荷功率。在园区综合能源系统正常运行情况下需要满足光伏发电、可时移负荷调整、多形态储能系统、外部配网与负荷的实时功率平衡,因此系统储电、储热功率应满足式(2)。

(2)

式中:PTS(t)为可时移负荷的调整功率;PMS(t)为多形态储能系统的调整功率;ΔPHP(t)、ΔPCP(t)分别为热泵参与功率波动控制的出力分量与制冷机参与功率波动控制的出力分量;Pout(t)为外购电力;PHP(t)、PCP(t)分别为热泵与制冷机的实际出力;PHPN、PCPN分别为热泵与制冷机不参与功率波动控制时的出力。

3 改进碳排放核算方法构建

根据设施农业产业园区碳排放源的分类,进行园区碳排放核算。依据《IPCC国家温室气体清单指南》将园区温室气体的排放统一折算为CO2当量,单位采用100年全球暖化潜势(GWP100),即第j种温室气体的GWP100值记为GWPj。

(3)

式中:EB为能源燃烧碳排放的CO2当量;ADi为燃料i的燃烧量;BB,i为燃料i的氧化率,一般取1;EFB,i,j为燃料i燃烧的温室气体j的排放系数,通过查表得到;EP为外部输入电力间接排放的CO2当量;ADP为外部输入电量;EFP,j为设施农业产业园区所在地区的电网温室气体j的排放系数;EV为外部输入热力间接排放的CO2当量;ADV为外部输入热量;qP,T为蒸汽在压力P、温度T下的热焓值;EFV,j为设施农业产业园区所在地区的热网温室气体j的排放系数。

4 算例分析

以园区夏季与冬季典型日为典型场景,根据园区光伏运行数据进行拟合,在园区光伏容量配置一定的情况下,园区光伏总出力只随时间变化,针对t时刻的光伏出力,按照时移负荷优先级调整负荷用能时间。图2为夏季典型日与冬季典型日园区光伏总功率、时移前负荷总功率和时移后负荷总功率曲线。

图2 园区典型日光伏功率与负荷功率曲线

由图2可以看出,夏季园区光伏出力时间分布广泛,并且由于夏季冷热负荷用能时间与光伏出力峰值时间相近,因此园区负荷经过时移调整之后负荷曲线与光伏出力曲线基本一致。冬季园区光伏出力时间集中,且出力曲线相较于夏季总体降低,但园区冬季18∶00—6∶00热负荷需求增大,因此需要调整更多时移负荷至光伏出力时段。

光伏出力时间集中,有效出力时间短,在小规模设施农业园区低容量配置情况下难以满足设施农业园区全时间尺度的设施农业用能需求,需要在非光伏产能时段进行园区内储能设备运行以及园区外配网供能。对园区功率控制中心进行实时观测,由数据处理系统统计负荷功率差值,可得图3所示园区典型日负荷差值。

图3 园区典型日负荷差值

园区负荷功率差值整体冬季大于夏季。图3为负荷差值需要园区功率控制中心实时监视并控制配网进行供能。使用本文所提碳排放核算方法,参考能源消耗引起的温室气体排放指南,进行设施农业园区碳排放核算。西北区域电网碳排放因子如表1所示。100年全球暖化潜势的CO2折算当量如表2所示。

表1 西北区域电网碳排放因子 单位:×104 kWh

表2 GWP100的CO2折算当量

使用本文所提碳排放核算方法,设置碳排放源为园区能源使用,碳排放边界为考虑外部输入的园区地理边界。农业园区近零碳实现策略实施前后园区典型日温室气体排放量,如图4所示。

图4 园区时移策略实施前后典型日温室气体排放量

从图4可知,设施农业园区温室气体排放量中CO2所占比重最高,稳定在99.5%左右,各类温室气体排放量冬季整体高于夏季,主要原因是本文所研究设施农业园区地处西北地区,冬季热负荷比例上升,导致整体碳排放比例高于夏季。夏季典型日减排量达0.259 t/d,占比为70.57%,冬季典型日减排量为0.369 t/d,占比为66.25%。在现有园区规模下,有效实现了设施农业产业园区综合能源系统碳排量动态趋近于零,即近零碳运行的目标。

5 结束语

本文将可时移负荷时移控制策略与设施农业产业园区综合能源系统相结合,提出了一种基于可时移负荷调度的设施农业产业园区综合能源系统近零碳实现策略。算例结果表明:准确、迅速和有优先级的调整可时移负荷的时移时间段,并逐日优选时移方案,可有效促进园区清洁能源消纳;通过时移控制策略实施,可大幅减少设施农业产业园区能源碳排放量,实现设施农业产业园区综合能源系统近零碳运行。本文工作成果可为设施农业在“双碳”背景下的发展提供一定参考,助力设施农业减碳,实现农业“双碳”目标。