計及動態響應特征的農村綜合能源系統分層調控

黃揚琪，何 偉，趙偉哲，李 佳，饒 臻

（國網江西省電力有限公司電力科學研究院，南昌 360102）

黨的十九大報告中提到“鄉村振興戰略”，并將它列為決勝全面建成小康社會需要堅定實施的七大戰略之一。而能源是提高農民生活水平、促進農業發展、改善農村環境的重要保障。目前我國農村能源供應依然以煤為主，能源消費結構不合理，能源利用率低，碳排放量高[1]。在”雙碳”的背景下，構建綠色高效的能源供應體系意義重大。

相比于城市能源系統，農村地區外部能源供應網絡薄弱，不利于外部清潔能源的引入。農村配電容量低，燃氣/熱力管道覆蓋少，在農村能源需求快速增長的背景下，僅依靠外部能源網供給，難以滿足自身的全部能源需求。而高密度的能源網絡建設，又會造成農村能源供給成本的大幅度提升[2]。與此相對應的是，農村地區發展綠色能源系統有著自己獨有的優勢。一方面，農村土地資源豐富，滿足發展風電/光伏/小水電的基本需求；另一方面，農村擁有秸稈、畜禽糞便、農產品加工業下腳料、農林廢棄物等豐富的生物質資源。基于生物質的沼氣熱電聯產CHP（combined heat and power）在滿足農民電/熱用能需求的同時，也能在一定程度上實現電力供應的移峰填谷，與風/光等間歇性可再生能源協同，實現農村地區能源的綠色供應，替代以煤為代表的傳統化石燃料[3-4]。依托生態農業的建設，農村地區具備了發展生態綜合能源系統的基本資源條件。實現這一目標的關鍵問題之一在于如何對風/光/生物質等多種能源的區域綜合能源系統進行調度，保障農村和農民生產生活需要的電/熱/冷服務需求。

農村能源系統屬于典型的多能源系統，包括風/光/天然氣/生物質等多種形式的能源。傳統農村能源載體包括秸稈、煤炭、禽畜糞便等，在使用過程中存在利用方式粗放，環境污染嚴重等問題[5]。在“雙碳”背景下，正逐漸減少高排放能源如煤炭的使用量，轉而使用相對清潔的天然氣供給農村采暖等需求。此外，隨著新能源發電技術及生態農業的發展，風/光/生物質等清潔能源正逐漸構成農村地區的主要供能手段[6]。作為農業生產主要能源副產品，為了充分利用沼氣中的生物質能，沼氣發電成為一個重要舉措[7]。基于沼氣的熱電氣聯供系統可以有效處理農業生產廢棄物并滿足農村用能需求，對節約能源、保護環境具有積極意義[8]。將現有熱電聯供系統與生物質能發電聯合供能可以顯著降低農村用能成本，促進沼氣工程在農村地區的推廣[9]。文獻[10]分析了基于沼氣供能的禽畜養殖熱電聯產系統綜合效益能值，并針對現有問題提出了發展建議。在農村地區將生物質發電納入微網構建中，可以降低發電過程中的碳排放，提供更加清潔的能源供給[11]。針對農村地區含生物質沼氣發電的區域綜合能源系統調度問題，目前的研究成果還比較有限，包括以風/光/生物質能為輸入的可再生能源系統建模[12]，針對含沼氣發電的農村能源系統經濟性與能源利用效率進行的多目標優化[13]，考慮不確定性的多目標隨機規劃[14]，以及含電、氣、熱三種儲能的優化運行等[15]。然而，一般的經濟調度結果給出的功率設定點，由于考慮了可再生能源功率輸出的平抑，會造成生態養殖熱電聯產系統大范圍的出力調整，進而影響燃氣機及沼氣供應系統的問題，相關研究還比較欠缺。

針對這一問題，本文提出了一種計及生態養殖熱電聯產平滑調控的分層調控策略。首先簡述了計及生態養殖的農村能源系統用能特征，構建了面向生態養殖的綜合能源系統模型，并提出基于飽和濾波控制算法的快慢協同控制器。進一步，在考慮儲能與熱電聯產協同下，提出了計及光伏接入及負荷不確定性的調度和控制的分層調控框架。最后，以一個帶有生態養殖的農村綜合能源系統為例，分析了不同生物質發電容量及不同生物質儲能容量對于光伏的消納能力，探討了所提協調控制器對農村綜合能源系統沼氣壓力的影響。

1 生態農村綜合能源系統特征

1.1 典型結構

生態農村綜合能源系統具有類型多樣、結構各異、用能/產能特征豐富、能量耦合關系繁雜等特點。在當前“雙碳”背景下，生態養殖成為農村地區發展綠色農業、降低碳排放、提高經濟效益的一條重要發展路徑，其主要理念是通過對養殖排泄物的有效處理，實現廢棄物的能源化、資源化。生態養殖的農村綜合能源系統主要由沼氣發酵池、沼氣CHP機組、生物質儲能、光伏、儲能等設備組成，其結構如圖1所示。負荷側主要包括電/熱2種負荷，農業生產和居民生活電負荷由光伏、沼氣熱電聯產、電網直供共同滿足，熱負荷則由熱電聯產和電熱泵共同承擔。在負荷確定的情況下，可決定CHP機組的出力、光伏削減量以及外網購電量，同時通過居民負荷及生物質儲能的調控實現供能系統的經濟運行。

圖1 典型生態綜合能源系統結構Fig.1 Structure of typical ecological integrated energy system

1.2 設備模型及運行約束

1.2.1 光伏模型

光伏發電出力特性與其接收光照強度有關，強度增加，光伏出力增加，直至達到最大輸出功率，故光伏在每個時段的出力均非負且受額定輸出功率限制，表示為

式中：：Ppv(t)為光伏在每個時段的出力，kW；Ppv,N為光伏額定輸出功率，kW。

1.2.2 生物質儲能模型

在計及生態養殖的綜合能源系統中，固、液態生物質能經過處理加工以后可以用作有機肥料。本文提到的生物質儲能MS（methane storage）只考慮氣態即沼氣的儲存及利用，通常采用儲氣罐模型。將發酵產生的沼氣進行儲存，根據日前調度結果來調控CHP機組的進沼氣量，從而實現系統的經濟運行，MS在運行過程中應滿足相應的管道傳輸限制及容量約束，此外，為了保證MS的持續利用，其在一個優化周期內的輸入輸出應保持平衡，即

1.2.3 沼氣發酵池模型

沼氣發酵池通過厭氧作用將秸稈、糞便等有機廢棄物進行發酵，產生沼氣用以儲存或者供給CHP機組，在運行過程中，沼氣流量滿足的約束為

1.2.4 沼氣CHP模型

農業生產中會產生大量有機廢棄物，如作物秸稈、雜草、禽畜糞便等，在厭氧條件下，這些有機物質通過種類繁多、數量巨大、功能不同的各類微生物分解代謝，最終產生沼氣。CHP機組通過燃燒沼氣同時供給熱能和電能，滿足最大功率輸出約束，即

1.2.5 熱泵模型

采用一個可變功率的空氣源熱泵滿足農村居民和農業生產的熱負荷，其出力及功率約束分別為

式中：：Qep(t)為空氣源熱泵t時刻輸出的熱功率，kW；ηep為空氣源熱泵產熱效率；Pep(t)為空氣源熱泵t時刻輸入功率，kW；Pep,N為空氣源熱泵額定功率，kW。

1.2.6 電儲能模型

電儲能ES系統采用簡化電池模型，在其參與系統運行過程中滿足的條件為

2 計及熱電聯產響應特征的分層調控框架

考慮負荷及光伏出力不確定性的情況下，采用日前預測數據進行優化調度的準確性將下降，需要在日間運行時進行日間調整。為避免光伏出力短時間波動造成的沼氣CHP機組出力頻繁調整，進而影響沼氣系統運行安全，本文在優化調度的基礎上疊加多設備的快慢協調控制策略，建立分層調控框架，如圖2所示。其中重點在于如何利用電儲能平抑沼氣熱電聯產的短時功率波動。鑒于儲能系統成本較高，這里主要考慮采用儲能用作短時功率控制，不參與優化調度。

圖2 生態農村綜合能源系統分層調控框架示意Fig.2 Schematic of hierarchical management framework for ecological rural integrated energy system

2.1 優化調度策略

2.1.1 日前調度

在滿足農村綜合能源系統正常運行約束及設備容量約束的情況下，日前調度策略以最小化外網購電成本為目標，從而設置各設備單元調度計劃參考值。其目標函數為

式中：Ce為一個仿真周期內的總購電成本，元；Pgrid(t)為t時刻外網購電量，kW；pcost(t)為分時電價背景下的t時刻電價，元/kW·h；Δt為仿真步長，h；x為待求解變量，

農村綜合能源系統進行優化調度時應滿足設備運行和容量約束式（1）～式（13）以及功率平衡約束，即

式中，Pload(t)與Qload(t)分別為t時刻用戶電需求與熱需求，kW。此外，外網購電量還應滿足購電容量和反送電約束。

2.1.2 日間修正

由于日前調度所采用負荷及光伏出力預測值的不確定性，日間運行時需要根據實際出力進行調整，運行中以日前調度策略所得的優化結果為參考值進行修正，短時功率不平衡問題采用空氣源熱泵與建筑物供熱系統的協同克服。考慮MS及CHP機組的最佳效率，在制定好日前計劃后，希望其能按照規定的參考值進行出力，因此在實施修正策略中以MS進/出氣量及CHP進氣量偏差最小化為目標，其目標函數為

式中：δ2為偏差量；分別為t時刻沼氣發酵池供給CHP機組沼氣量及MS裝置進/出氣量參考值，m3h；αi(i=1,2,3)為加權因子；x′為待求解變量，

2.3 基于飽和濾波器的協調控制策略

為避免可再生能源波動造成沼氣熱電聯產系統的頻繁大幅度調整，影響沼氣供應安全以及設備運行效率，本文提出基于飽和濾波器的協調控制策略，利用功率型電儲能設備平抑短時電力功率波動，飽和濾波器控制算法示意如圖3所示。控制器在接到調度層信號后利用巴特沃斯濾波器將信號進行分解，其中低頻信號傳遞給熱電聯產系統，濾除的高頻信號疊加電池自身充放功率設定點用于控制電儲能系統輸出功率。為保證儲能充電狀態SOC（state of charge）運行在預設定的范圍，在功率控制器中加入飽和環節。用于對SOC進行調整，正常狀態下可設為0。圖3中濾波器的時間常數可根據熱電聯產的爬坡率以及電池充放電控制器的調節速度進行評估，參考文獻[23]中方法，濾波器時間常數TCHP滿足條件

圖3 飽和濾波器控制算法示意Fig.3 Schematic of saturated filter-based control algorithm

3 算例分析

3.1 系統參數

采用圖1所示的典型生態綜合能源配置形式，系統中共包括1臺沼氣CHP機組、1臺光伏機組、1臺空氣源熱泵、1個沼氣發酵池、1臺MS裝置以及配套的供熱供電系統，依此進行帶有生態養殖的農村綜合能源系統仿真，系統仿真參數參考實際情況及現有文獻進行設置[9]。本文中系統參數如表1所示。此外，由于供電負荷峰谷差異的存在，階梯電價已經逐漸推行開來，用以調節用戶用電行為以進行一定程度的削峰填谷，降低電網供電壓力，仿真中采用的分時電價如圖4所示[18]。

表1 系統參數Tab.1 System parameters

圖4 分時電價Fig.4 Time-of-use price of electricity

3.2 仿真場景設置

選取某冬季典型日作為本文仿真場景，其電負荷及熱負荷預測值如圖5所示。此外，在日間運行中，可以實時地獲取負荷及光伏出力數據，電負荷真實值如圖6所示，通過熱泵出力與建筑物供熱協同的方式解決短時功率不平衡的問題，故日間熱負荷曲線將由優化結果給出，光伏出力預測及實際值如圖7所示。選取北方某地區冬季典型日，溫度曲線如圖8所示，本文認為短期內溫度預測精度較高，等同為真實值。

圖5 農業生產及居民負荷預測值Fig.5 Forecasted load values of agricultural production and residents

圖6 農業生產及居民電負荷真實值Fig.6 Real electricity load value of agricultural production and residents

圖7 光伏出力預測值與真實值Fig.7 Forecasted and real values of photovoltaic output

圖8 典型日溫度曲線Fig.8 Curve of typical daily temperature

3.3 算例分析

在日前調度策略中分析各機組出力狀況及對于可再生光伏的消納能力，日間調度策略中考慮光伏出力及負荷不確定性，短時功率不平衡通過熱泵出力和樓宇供暖系統的協同對調度策略進行修正，對系統消納可再生光伏的能力進行更準確地評估。

3.3.1 日前調度分析

采用光伏出力及負荷預測值時，由日前調度策略獲得的電/熱調度結果如圖9和圖10所示，相應的生物質儲能與本地能源系統交互情況如圖11所示。

由圖9～圖11可見，分時電價將有效指導用戶的行為，在電價較低時，系統更多地從外網購電，減少CHP機組出力，將多余的沼氣儲存起來，在12∶00—15∶00及21∶00—22∶00兩個電價峰時段，系統更傾向于自發電，減少外網購電成本，在本算例中，生物質儲能傳輸容量成為其容量充分利用的主要限制。

圖9 電力系統日前調度結果Fig.9 Day-ahead scheduling result of power system

圖10 熱力系統日前調度結果Fig.10 Day-ahead scheduling result of heating system

圖11 生物質儲能日前調度結果Fig.11 Day-ahead scheduling result of methane storage

由于熱負荷與電負荷具有的反調峰特性，二者的峰值往往不同時出現。在電負荷較低時，熱負荷較高，此時CHP工作在以電定熱模式，優先滿足電負荷需求，多余的熱負荷則由空氣源熱泵出力滿足；在電負荷較高時，熱負荷較低，此時CHP工作在以熱定電模式，優先滿足熱負荷需求，多余電負荷由外網購電承擔。

3.3.2 日間調度分析

計及光伏出力及負荷不確定性后，在日間運行中需要根據其實際出力對各機組運行策略進行日間修正，通過空氣源熱泵與住宅供熱系統的協同實現修正目標。由日間調度策略獲得的電/熱調度結果如圖12和圖13所示，相應的生物質儲能調度結果如圖14所示，空氣源熱泵出力及熱負荷對比如圖15所示。

圖12 電力系統日間調度結果Fig.12 Intra-day scheduling result of power system

圖13 熱力系統日間調度結果Fig.13 Intra-day scheduling result of heating system

圖15 熱泵出力及熱負荷對比Fig.15 Comparison between heat pump output and heat loads

在日間調度策略中，各機組出力均有相應的改變，操作人員可以據此對一些容易調節功率的設備出力進行修正，以滿足運行經濟性。系統中光伏裝機容量約為電負荷的1/10，而且光伏出力峰谷時間段與農村綜合能源系統負荷峰谷時間段有較多的重合，故可以完全消納光伏出力波動。

3.3.3 協調控制分析

根據式（18）選擇濾波器時間常數為120 s，電儲能最大充放電功率為200 kW。為展示濾波器效果，這里引入分鐘級誤差信號，并采用CHP與儲能協同跟蹤。濾波后的熱電聯產系統發電功率和電儲能輸出功率如圖16所示。由圖可見，濾波器一方面在調度信號下發時，避免了對CHP的沖擊，另一方面在CHP用于平抑光伏和負荷預測誤差時，濾波器與電儲能的存在大大降低了CHP的輸出功率頻繁調整。

圖16 熱電聯產系統與電儲能協調控制輸出功率Fig.16 Power output from CHP system and electric energy storage under coordinated control

4 結論

本文通過對含生態養殖的農村綜合能源系統建模研究，在優化調度的基礎上，為避免沼氣熱電聯產的頻繁調控，引入協調控制層對調度結果進行分解，結合算例分析，結論如下：

（1）在優化調度策略中獲得的參考值表明，用戶用能行為與分時電價有明顯的相關性，電價低時，用戶傾向于從外網購電，將儲存沼氣留作備用，電價高時，用戶傾向于本地發電，減少購電成本；

（2）由于光伏出力與系統用電峰谷期一定的重合，在生物質熱電聯產的支持下，可以實現完全消納，具有較高的經濟效益與環境效益；

（3）在協同控制器以及電儲能的作用下，沼氣熱電聯產的功率波動明顯降低，由此導致的沼氣池壓力波動也進一步降低。