考慮多元產(chǎn)業(yè)協(xié)同的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

李民，劉欽浩，趙冠，周步祥，夏海東，臧天磊

(1. 國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250000；2. 四川科銳德電力通信有限公司，四川 成都 610095；3. 國網(wǎng)山東省電力公司營銷服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250000；4. 四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

2021年中央一號文件指出，社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的重要一步是全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興，全面推進(jìn)鄉(xiāng)村文化、產(chǎn)業(yè)、人才、生態(tài)、組織振興。充分挖掘鄉(xiāng)村優(yōu)勢，發(fā)揮鄉(xiāng)村農(nóng)副產(chǎn)品供給、生態(tài)屏障、文化傳承等功能，加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化[1]。隨著現(xiàn)代化鄉(xiāng)村建設(shè)的不斷深入，蓬勃發(fā)展的鄉(xiāng)村種植、畜牧等產(chǎn)業(yè)帶來了日益增長的生物質(zhì)垃圾、畜禽糞污、高耗能等環(huán)境問題。顯然，高污染、高耗能的鄉(xiāng)村多元產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式不符合當(dāng)前綠色低碳的發(fā)展理念。鄉(xiāng)村的傳統(tǒng)用能模式通過向電網(wǎng)購電滿足用電需求，燃燒作物秸稈及煤炭獲取熱能，該模式不僅能源利用效率低，環(huán)保問題突出，而且供能的安全性和可靠性也難以保障。在現(xiàn)代化的中國農(nóng)村中，生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)高度集中后，農(nóng)村能源的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲及消費(fèi)都將隨之發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變[2]。

文獻(xiàn)[3-4]分析了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)特點，建立了農(nóng)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)；文獻(xiàn)[5]分析了農(nóng)業(yè)設(shè)備設(shè)施與太陽能光伏發(fā)電技術(shù)之間的深度耦合模式；文獻(xiàn)[6]基于區(qū)塊鏈技術(shù)，利用農(nóng)業(yè)設(shè)施負(fù)荷的可時移特性，提出了就地最大程度消納光伏的控制策略；文獻(xiàn)[7]提出了將智能農(nóng)業(yè)與清潔能源消納相結(jié)合，利用剩余清潔能源供應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、利用智能農(nóng)業(yè)提升電力系統(tǒng)的清潔能源滲透率；文獻(xiàn)[8]提出了具有自感知力的能源互聯(lián)網(wǎng)，能夠有效感知綜合能源系統(tǒng)中多能流變化，提升能源的利用效率；文獻(xiàn)[9-13]考慮了垃圾的能源化利用，將垃圾能源化利用引入綜合能源系統(tǒng)；文獻(xiàn)[14]為了保障綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的可靠性，基于多能源樞紐研究了綜合能源系統(tǒng)建模方法；文獻(xiàn)[15-17]考慮了綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃及運(yùn)行時的需求側(cè)響應(yīng)，顯著降低了經(jīng)濟(jì)性成本；文獻(xiàn)[18]提出了協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法，在經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的基礎(chǔ)上保障了綜合能源系統(tǒng)的可靠性；文獻(xiàn)[19]考慮了多能能源網(wǎng)絡(luò)分布對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響；文獻(xiàn)[20]考慮了綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行的時序特性，提出了考慮多階段規(guī)劃和設(shè)備更換的規(guī)劃方法。

上述研究在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型和方法等方面取得了一些成果，但是仍未考慮鄉(xiāng)村多元產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)與鄉(xiāng)村資源的充分利用。為此，本文構(gòu)建了一種鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)，系統(tǒng)包含可再生能源、廢物處理、畜牧養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)業(yè)種植和農(nóng)副產(chǎn)品加工，并深入分析鄉(xiāng)村資源利用、能源供需與多元產(chǎn)業(yè)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。首先，基于鄉(xiāng)村的資源優(yōu)勢，建立了多種類廢物處理及能源供給模型；其次，根據(jù)鄉(xiāng)村多元產(chǎn)業(yè)的用能特性，建立了鄉(xiāng)村多元產(chǎn)業(yè)數(shù)學(xué)模型。最后，在此基礎(chǔ)上建立了考慮鄉(xiāng)村多元產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型，有效保障了鄉(xiāng)村多能源系統(tǒng)供能的可靠性，以及垃圾處理、多元產(chǎn)業(yè)協(xié)同的有效性。

1 鄉(xiāng)村綜合能源框架及多元產(chǎn)業(yè)模型

鄉(xiāng)村畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、產(chǎn)品加工等產(chǎn)業(yè)與綜合能源系統(tǒng)具有很強(qiáng)的產(chǎn)消互補(bǔ)性[1]。一方面系統(tǒng)利用多能耦合設(shè)備生產(chǎn)電、氣、熱等能源，滿足鄉(xiāng)村多元產(chǎn)業(yè)的用能需求；多元產(chǎn)業(yè)向綜合能源系統(tǒng)反饋秸稈、牲畜糞便等農(nóng)業(yè)生物質(zhì)。另一方面，鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)可以利用生物質(zhì)，通過沼氣池、熱解氣化等設(shè)備產(chǎn)出的電、熱、氣等能源維持多元產(chǎn)業(yè)的運(yùn)行。

本文基于某現(xiàn)代化大型鄉(xiāng)村構(gòu)建了一種鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)，輸入為可再生能源，包括風(fēng)電、光伏、生物質(zhì)廢物以及大電網(wǎng)購電和氣網(wǎng)購氣。輸出為電、熱、氣多種能源及農(nóng)副產(chǎn)品的售賣。其中，能源耦合設(shè)備包括電鍋爐、燃?xì)忮仩t、沼氣機(jī)組等設(shè)備；儲能設(shè)備包括溫室大棚、農(nóng)產(chǎn)品加工及居民用戶等多能源負(fù)荷。

1.1 沼氣模型

將畜牧養(yǎng)殖的糞污與農(nóng)村廚余垃圾進(jìn)行混合發(fā)酵制取沼氣，可用于沼氣機(jī)組發(fā)電，也可用于沼氣鍋爐制熱，供溫室大棚與居民使用。同時發(fā)酵剩余沼渣、沼液亦可作為肥料。由于沼氣池的沼氣產(chǎn)氣率受溫度的影響較大，需要一定的熱能維持沼氣池的正常發(fā)酵。通常情況下，沼氣在最佳反應(yīng)溫度（35±1℃）時，原料利用率和反應(yīng)速率最高，產(chǎn)氣量最大。沼氣模型為

式中：Ebio為沼氣池單位時間產(chǎn)量，m3/t；Tz、To分別為實際反應(yīng)溫度和最佳反應(yīng)溫度，計算時

1.2 熱解氣化發(fā)電模型

熱解氣化一般利用農(nóng)業(yè)、林業(yè)的有機(jī)廢物如秸稈作為原料，垃圾分類后的廢物如廢塑料、編織物等也可循環(huán)利用。通過粉碎或顆粒化處理，采用熱解氣化的方式得到可燃?xì)怏w，凈化后的燃?xì)饪梢酝ㄟ^燃?xì)廨啓C(jī)實現(xiàn)熱電聯(lián)供，如圖1所示。

圖1 垃圾氣化處理供能流程Fig. 1 Energy supply process for garbage gasification treatment

系統(tǒng)供能模型可表示為

式中：Vfuel(t)為熱解氣化爐的產(chǎn)氣功率，m3/t；mf(t)為t時刻垃圾的氣化量，kg/t； βf為垃圾可氣化系數(shù)，m3/kg； ηf為熱解爐效率；PPG(t)為燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率； λf為可燃?xì)怏w含量；Qf為可燃?xì)怏w燃燒熱值，本文取4 185.8 kJ/m3； ηPG為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率；PPG,H(t)為燃?xì)廨啓C(jī)的余熱回收效率； η1和 ηh分別為燃?xì)廨啓C(jī)熱損耗系數(shù)和煙氣利用系數(shù)。

1.3 太陽能光熱發(fā)電模型

太陽能光熱發(fā)電是利用太陽光聚集產(chǎn)生高溫蒸汽，一部分通過蒸汽輪機(jī)發(fā)電，一部分用于供熱，其數(shù)學(xué)模型為

式中：PPT為光熱發(fā)電功率； ηst為蒸汽輪機(jī)發(fā)電效率；Esolar為集熱系統(tǒng)提供的熱能；xp為進(jìn)入蒸汽輪機(jī)熱能比例系數(shù)；HPT-H為光熱產(chǎn)熱功率；ηex為換熱器效率； ηWH為蒸汽輪機(jī)余熱回收效率。

1.4 產(chǎn)業(yè)建模

1.4.1 農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)

1.4.2 養(yǎng)殖業(yè)模型

1.4.3 農(nóng)產(chǎn)品加工模型

2 多元產(chǎn)業(yè)協(xié)同模式

多元產(chǎn)業(yè)的協(xié)同模式如圖2所示。其中，農(nóng)業(yè)種植業(yè)、畜牧養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)通過垃圾清運(yùn)車將相應(yīng)的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)至廢物處理產(chǎn)業(yè)進(jìn)行處理。另一方面，廢物處理產(chǎn)業(yè)通過對多種廢物進(jìn)行處理可與可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)協(xié)同供能，沼氣池發(fā)酵剩余產(chǎn)物亦可作為農(nóng)作物肥料。

圖2 多元產(chǎn)業(yè)協(xié)同模式Fig. 2 Multi-industry synergy mode

3 考慮多元產(chǎn)業(yè)協(xié)同的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

含有農(nóng)業(yè)種植、畜牧養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品加工的鄉(xiāng)村多能源綜合體內(nèi)部能源供應(yīng)主要以光伏、風(fēng)電為主。并且考慮可處理農(nóng)村生物質(zhì)廢物、生活垃圾的廢物能源利用設(shè)備，以多元協(xié)調(diào)儲能系統(tǒng)作為靈活性調(diào)節(jié)資源。多能源綜合體外部與配電網(wǎng)、氣網(wǎng)相連。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)能流示意Fig. 3 Schematic diagram of energy flow in the energy hub of a multi-energy complex

4 鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型及其求解

本文建立的綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃模型，其主要目的是在綠色環(huán)保的鄉(xiāng)村發(fā)展背景下，在處理鄉(xiāng)村垃圾和農(nóng)村廢物的基礎(chǔ)上，協(xié)同多元產(chǎn)業(yè)與能源系統(tǒng)，形成農(nóng)副產(chǎn)品外送與能源自給的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)?；谀茉醇€器理論建立鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型，除了外部各類負(fù)荷需求已知外，鄉(xiāng)村多能源綜合體內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及設(shè)備類型和數(shù)量均未知，需要對系統(tǒng)進(jìn)行初始規(guī)劃[12]。

4.1 目標(biāo)函數(shù)

4.2 約束條件

4.3 模型求解

考慮多元產(chǎn)業(yè)協(xié)同的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型，屬于典型的混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，采用Matlab平臺的Cplex求解器進(jìn)行求解。

5 算例分析

5.1 算例描述

以北方某大型鄉(xiāng)村作為規(guī)劃對象，該鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)主要包括大棚種植業(yè)、畜牧業(yè)以及農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)。本文規(guī)劃的能源設(shè)備包括沼氣制氣設(shè)施、沼氣鍋爐、沼氣發(fā)電機(jī)組、熱解氣化發(fā)電機(jī)組、電制冷機(jī)組、太陽能光熱設(shè)備以及多元儲能設(shè)施，相關(guān)設(shè)備參數(shù)如表1[11]和表2所示[2,9]。同時，電價采用分時電價[2]，10:00—15:00和18:00—21:00為峰時，電價為0.98元/(kW·h)；07:00—10:00和15:00—18:00為平時，電價為0.65元/(kW·h)；23:00—次日07:00為谷時，電價為0.36 元/(kW·h)。

表1 能源供給轉(zhuǎn)換及存儲設(shè)施參數(shù)Table 1 Energy supply conversion and storage facility parameters

表2 垃圾能源化利用設(shè)施參數(shù)Table 2 Parameters of waste-to-energy utilization facilities

規(guī)劃時，考慮到項目周期較長，如果采用逐時計算的方式進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃，整個問題規(guī)模巨大而難以求解。因此，按照鄉(xiāng)村的用能特性，將每年分為2個典型季節(jié)：冬季（11月—次年5月）和夏季（6月—10月），如圖4所示。首先考慮負(fù)荷的季節(jié)特性，通過合成聚類的方法，生成各負(fù)荷中心典型日場景。其次，根據(jù)各典型日光照和氣候條件獲取光伏和風(fēng)機(jī)出力。

圖4 典型日負(fù)荷曲線Fig. 4 Typical daily load curve

5.2 規(guī)劃方案及結(jié)果分析

為驗證鄉(xiāng)村綜合能源規(guī)劃模型的合理性，設(shè)置了3種規(guī)劃方案，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。

方案1：采用傳統(tǒng)的綜合能源供能方式，各個產(chǎn)業(yè)之間相互獨立，各產(chǎn)業(yè)之間不能協(xié)調(diào)互動，按照各自的能源需求進(jìn)行用能，多元產(chǎn)業(yè)的剩余產(chǎn)物未統(tǒng)一優(yōu)化利用。

方案2：考慮多元產(chǎn)業(yè)之間統(tǒng)一供能，但是未考慮多元產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)互動，多元產(chǎn)業(yè)未參與需求響應(yīng)。

方案3：采用基于鄉(xiāng)村多元產(chǎn)業(yè)之間協(xié)同的供能方式，多元產(chǎn)業(yè)之間可以協(xié)調(diào)互動（即多元產(chǎn)業(yè)可以參與需求響應(yīng)），且多元產(chǎn)業(yè)的剩余產(chǎn)物統(tǒng)一優(yōu)化利用。

根據(jù)5.1節(jié)的參數(shù)設(shè)置，得到了3種規(guī)劃方案下的能源設(shè)備配置結(jié)果，如表3所示。

表3 不同方案的規(guī)劃結(jié)果及容量配置對比Table 3 Comparison of planning results and capacity configuration of different schemes

由表3的配置結(jié)果可知，方案1各產(chǎn)業(yè)用能負(fù)荷高峰較為集中，導(dǎo)致在規(guī)劃過程中各能源生產(chǎn)設(shè)備的容量略有增加，主要設(shè)備包括熱解氣化發(fā)電機(jī)組、沼氣鍋爐、沼氣發(fā)電機(jī)組、儲熱設(shè)施等設(shè)備，并且由經(jīng)濟(jì)性對比結(jié)果（見表4）可知，方案3經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

表4 不同規(guī)劃方案下的經(jīng)濟(jì)性對比Table 4 Economic comparison under different planning schemes萬元

5.3 多元產(chǎn)業(yè)協(xié)同經(jīng)濟(jì)性分析

多元產(chǎn)業(yè)協(xié)同后的經(jīng)濟(jì)性對比如圖5所示。由圖5可以看出，鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)參與多元產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)后，各產(chǎn)業(yè)成本均有所降低。以畜牧養(yǎng)殖業(yè)為例，養(yǎng)殖業(yè)飼料為固定成本，但是多元產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)后，產(chǎn)業(yè)負(fù)荷參與能源系統(tǒng)的需求側(cè)響應(yīng)，得到一定補(bǔ)償。一部分農(nóng)作物的肥料來源于沼氣池發(fā)酵剩余產(chǎn)物，降低成本。另一方面，對于鄉(xiāng)村能源綜合系統(tǒng)來說，產(chǎn)業(yè)負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)能夠更好地調(diào)節(jié)多種能源，減少棄風(fēng)、棄光。通過數(shù)據(jù)對比可知，方案3較方案2在垃圾處理、農(nóng)業(yè)種植、畜牧養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)方面的成本分別降低了18.79%、34.34%、39.03%和37.18%。

圖5 多元產(chǎn)業(yè)協(xié)同前后成本分析Fig. 5 Cost analysis before and after multi-industry synergy

由于在鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)中，多元產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的剩余垃圾可以被優(yōu)化利用，處理垃圾會得到收益，不同的規(guī)劃方案使得垃圾處理能力與收益有所不同，垃圾處理收益如表5所示。由表5可知方案3的收益最高，是因為多元產(chǎn)業(yè)經(jīng)過協(xié)調(diào)互動后增加了垃圾處理量，且垃圾處理后的剩余產(chǎn)物可以用作肥料，減少種植業(yè)的成本。

表5 垃圾處理量和收益對比Table 5 Comparison of waste disposal volume and income

5.4 需求響應(yīng)前后負(fù)荷及經(jīng)濟(jì)性分析

鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)負(fù)荷需求響應(yīng)前后負(fù)荷以及購能成本變化如圖6、表6所示。在含光伏和風(fēng)電的鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)中增加需求響應(yīng)，能夠促進(jìn)白天的高峰負(fù)荷向夜晚轉(zhuǎn)移，提升夜間風(fēng)電的消納率，減少負(fù)荷高峰時段的購電成本與購氣成本，進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 計及需求響應(yīng)前后負(fù)荷變化曲線Fig. 6 Load change curve before and after taking into account demand response

表6 需求響應(yīng)前后購能成本對比Table 6 Comparison of energy purchase costs before and after demand response萬元

6 結(jié)論

為全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，助力現(xiàn)代化的鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)。本文提出了一種考慮鄉(xiāng)村多元產(chǎn)業(yè)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型，通過算例驗證了其有效性，得到了以下結(jié)論。

（1）基于鄉(xiāng)村的綜合能源系統(tǒng)，不僅為內(nèi)部的多源產(chǎn)業(yè)集群和居民供能，還可以處理自身生產(chǎn)生活的垃圾，能夠有效地改善農(nóng)村環(huán)境。

（2）鄉(xiāng)村多元負(fù)荷可以作為靈活性資源，參與需求側(cè)響應(yīng)，通過多元產(chǎn)業(yè)間的相互協(xié)調(diào)，能夠降低多元產(chǎn)業(yè)整體用能成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。

（3）對內(nèi)，各種廢物處理設(shè)施可作為多能源系統(tǒng)的靈活性資源，并與能源耦合與存儲設(shè)備相配合使能源生產(chǎn)成本盡可能??；對外，當(dāng)外部能源網(wǎng)有需求時，鄉(xiāng)村多能源綜合體能夠提供優(yōu)質(zhì)能源并獲取收益。

未來將進(jìn)一步對鄉(xiāng)村多元產(chǎn)業(yè)進(jìn)行評估，為合理地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局，并為其量身規(guī)劃能源系統(tǒng)，同時為了保障供能的可靠性，將對鄉(xiāng)村綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行安全性分析，充分保障鄉(xiāng)村能源供應(yīng)的可靠性。