智能溫室光儲(chǔ)互補(bǔ)供能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李 輝，劉峻瑋，梁紫怡，袁海山，葉 昀，陳有強(qiáng)，丁澤琦

（1.國網(wǎng)中興有限公司，北京 100761；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083；3.國網(wǎng)冀北電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100067）

0 引言

2020年9月，我國在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上提出2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)。2021年9月，國家能源局正式印發(fā)《公布整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點(diǎn)名單的通知〔2021〕84號(hào)》，拉開了整縣分布式光伏的序幕。在此背景下，著眼于生態(tài)園區(qū)，打造綠色、低碳、可持續(xù)的發(fā)展模式成為近年來的研究熱點(diǎn)。

對(duì)比國內(nèi)外研究可知，歐美國家［1—2］智能溫室規(guī)模大、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高，主要是通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)參數(shù)的精準(zhǔn)控制［3］，研究主要聚焦在溫室的智能化控制。而我國［4—5］的智能溫室研究主要聚焦園區(qū)土地利用率、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，主要從溫控設(shè)備的布置、功率和熱工性能等方面進(jìn)行了研究，以尋求最適合大棚作物的生長條件［6］。綜上，現(xiàn)有研究缺少對(duì)整縣光伏背景下的溫室供能模式的研究。

本文在整縣光伏的背景下，基于現(xiàn)有生態(tài)園區(qū)的智能溫室的用能情況，分析智能溫室結(jié)合分布式光伏后的供能模式變化，提出考慮可再生能源就地消納的生態(tài)園區(qū)光-儲(chǔ)互補(bǔ)低碳供能模式，并在這基礎(chǔ)上搭建了智能溫室光-儲(chǔ)互補(bǔ)低碳管理平臺(tái)，最后建立一個(gè)適用于分布式光伏大棚用能場景下的光伏消納模型，論證光-儲(chǔ)互補(bǔ)低碳供能模式的可行性，為光伏背景下的智能溫室建設(shè)和發(fā)展提供了理論和實(shí)踐支撐。

1 智能溫室典型場景

1.1 智能溫室用能

不同的園區(qū)場景下的用能模式不盡相同［7］，生態(tài)園區(qū)農(nóng)業(yè)溫室大棚場景主要由光照系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等多種用能系統(tǒng)組成。根據(jù)溫室大棚使用用途，可以分為花卉種植溫室、蔬菜種植溫室等11種溫室。

其中，在種植溫室大棚領(lǐng)域，各國現(xiàn)代化種植溫室設(shè)備研發(fā)企業(yè)相繼開發(fā)了各種專用的農(nóng)業(yè)種植溫室環(huán)境氣候控制器及其他諸如土壤灌溉、施肥自動(dòng)控制器等［8］。與中央控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)與信息交換的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，和灌溉、溫控、通風(fēng)等溫室用能設(shè)備構(gòu)成智能溫室的典型用能場景。

1.2 智能溫室儲(chǔ)能

受天氣原因制約，光伏出力具有不確定性［9］，因此智能溫室的儲(chǔ)能方式和儲(chǔ)能模式在大規(guī)模的園區(qū)內(nèi)也是需要考慮的問題。

典型的儲(chǔ)能模式分為物理儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能［10］，物理儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能，雖然成本較低，但其效率較低的同時(shí)占用較大空間；電化學(xué)儲(chǔ)能是將電能轉(zhuǎn)化為各種電池的化學(xué)能，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在功率可以根據(jù)需求配置，地理資源占用少。綜合考慮智能溫室的儲(chǔ)能需求和用能特點(diǎn)，可以將電化學(xué)儲(chǔ)能作為溫室的主要儲(chǔ)能手段。

1.3 溫室大棚面臨問題

在我國科技進(jìn)步的大環(huán)境下，設(shè)施農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，溫室大棚迅速崛起，但限制于技術(shù)問題，使得我國溫室大棚水平落后于發(fā)達(dá)國家，主要面臨以下3點(diǎn)問題。

（1）能源結(jié)構(gòu)較為單一

溫度控制占溫室能耗費(fèi)用的主要部分。而傳統(tǒng)的溫室大棚的溫控措施主要依靠化石能源燃燒，不僅溫度控制不準(zhǔn)確、作物品質(zhì)受到影響，同時(shí)造成了化石能源的浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境污染［11］。

（2）能源互補(bǔ)滲透水平低

在現(xiàn)有的生態(tài)園區(qū)農(nóng)業(yè)溫室大棚的用能層面，由于相關(guān)的高水平農(nóng)業(yè)技術(shù)人員較少，新能源科技利用率低，一次能源的利用效率較低，大棚的能源互補(bǔ)滲透水平同樣較低。

（3）系統(tǒng)成本高

獨(dú)立的光照系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、二氧化碳濃度調(diào)控系統(tǒng)等眾多智能設(shè)備的投入，致使溫室大棚前期投資大且回報(bào)周期長，同時(shí)受突發(fā)環(huán)境變化的制約，光伏設(shè)備的投入難度增大。

2 整縣分布式光伏開發(fā)對(duì)智能溫室供能模式影響分析

2.1 整縣光伏背景下的智能溫室

在雙碳目標(biāo)和整線分布式光伏計(jì)劃推進(jìn)的過程中，光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目的熱度持續(xù)上升，其中，智能溫室與分布式光伏的鍥合度尤為突出。智能溫室可以作為光伏發(fā)電的典型應(yīng)用場景，一方面溫室大棚大多優(yōu)先選擇太陽輻照量大、陰雨天氣少，且周圍無遮擋的地區(qū)，這為分布式光伏提供了良好的光照資源和地理資源，給分布式光伏計(jì)劃提供了實(shí)踐基礎(chǔ)，從而保障分布式光伏的發(fā)電，另一方面，由于智能溫室中引入更多的用能設(shè)備，比普通大棚具有更多的用能需求，從而助力光能的消納。

智能溫室與整縣推進(jìn)分布式光伏的融合模式，不僅可以充分利用豐富的太陽能資源產(chǎn)生的綠色電力能源，節(jié)約煤炭、土地和資源能耗，減排氮氧化物和煙塵等污染物，還可就地緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的電力需求，增加農(nóng)村缺能地區(qū)的能源供應(yīng)量，實(shí)現(xiàn)能源綜合利用，降低農(nóng)村生產(chǎn)、生活用能造成的環(huán)境污染，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。

2.2 供能模式對(duì)比

傳統(tǒng)的生態(tài)園區(qū)供能模式，雖然能源種類和形式多樣，但主要供給仍是化石能源，對(duì)待環(huán)境的改善仍有較大提升空間；通過能源的整合后可供給多元負(fù)荷，但是能源之間的互補(bǔ)較為匱乏。

針對(duì)傳統(tǒng)的傳統(tǒng)溫室大棚的弊端，考慮整縣光伏開發(fā)的生態(tài)園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)有較為顯著的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有效提高能源利用率，系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性均有所上升，具體表現(xiàn)在以下3個(gè)方面，如圖1所示。

圖1 供能模式對(duì)比Fig.1 Comparison of energy supply mode

針對(duì)整縣光伏背景下的供能模式變化，聚焦傳統(tǒng)溫室大棚存在的問題，其作用主要為：

（1）進(jìn)一步改善園區(qū)供能結(jié)構(gòu)

在政策的推力下，園區(qū)的光伏能源出力大大超過以往。一方面緩解園區(qū)的用能緊張，改善生態(tài)園區(qū)的用能結(jié)構(gòu)，以化石能源為主的傳統(tǒng)生態(tài)園區(qū)的供能結(jié)構(gòu)得到改善。另一方面，大量引入的清潔能源，在保障負(fù)荷側(cè)用能需求的同時(shí)有效減少了二氧化碳、二氧化硫等氣體的排放。

（2）加深能源間的互補(bǔ)與滲透

在整縣光伏背景下，園區(qū)能源以電力系統(tǒng)和新能源發(fā)電為核心，利用先進(jìn)的信息技術(shù)將能源系統(tǒng)與設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)行互聯(lián)。在光伏出力較大的日間，大部分電能可以直接通過園區(qū)的農(nóng)用電氣設(shè)備進(jìn)行消納。針對(duì)過剩電能，一部分存儲(chǔ)到到儲(chǔ)能設(shè)備，另一部分進(jìn)行上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域、不同系統(tǒng)間的聯(lián)系。在光伏不出力的夜間，儲(chǔ)能設(shè)備代替光伏發(fā)電設(shè)備進(jìn)行出力。儲(chǔ)能設(shè)備的引入，加深了能源間的互補(bǔ)與滲透，提高了系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性［12］。

（3）降低系統(tǒng)總成本

結(jié)合園區(qū)的區(qū)位特點(diǎn)和用能特點(diǎn)，豐富的光照資源和消納能力從發(fā)電側(cè)降低了發(fā)電成本，從用能側(cè)減少了“棄光”現(xiàn)象；通過儲(chǔ)能設(shè)備和“余電上網(wǎng)”的引入，在減少了購電成本的同時(shí)也獲得了賣電收益。此外，工作人員可以借助管理平臺(tái)同時(shí)監(jiān)控諸多溫室大棚的物理環(huán)境，通過電氣化設(shè)備實(shí)現(xiàn)澆灌、施肥等操作，降低了人工成本。

3 考慮可再生能源就地消納的生態(tài)園區(qū)光-儲(chǔ)互補(bǔ)低碳供能模式

3.1 系統(tǒng)供能方案

太陽能一部分直接照射大棚，供作物進(jìn)行光合作用，另一部分通過光伏發(fā)電設(shè)備發(fā)電。產(chǎn)生的電能優(yōu)先供給給用能設(shè)備，剩余電能一部分進(jìn)入儲(chǔ)能設(shè)備，另一部分進(jìn)行上網(wǎng)。當(dāng)光伏出力少時(shí)，通過儲(chǔ)能設(shè)備將能量輸送給用能設(shè)備，當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備和太陽能出力不足時(shí)，電網(wǎng)作為后備對(duì)用電設(shè)備提供保障，系統(tǒng)能量流動(dòng)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)能量流動(dòng)Fig.2 System energy flow

3.2 “產(chǎn)-用-儲(chǔ)”的系統(tǒng)供能模式

溫室大棚的主要用能設(shè)備包括水肥一體化設(shè)備、卷簾系統(tǒng)、氣象站、通風(fēng)系統(tǒng)、二氧化碳發(fā)生器、傳感器和水泵。在發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備穩(wěn)定供能的基礎(chǔ)上，電網(wǎng)作為后備供電保障，不同用能設(shè)備根據(jù)自身運(yùn)行特性在額定功率下運(yùn)行。

微電網(wǎng)監(jiān)控裝置對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要包括監(jiān)測配電網(wǎng)功率和電能質(zhì)量，對(duì)光伏設(shè)備數(shù)據(jù)采集和必要時(shí)的功率限制。云平臺(tái)管理設(shè)備對(duì)微電網(wǎng)監(jiān)控裝置獲取的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、預(yù)測分析和優(yōu)化調(diào)度，并對(duì)微電網(wǎng)監(jiān)控裝置的下發(fā)命令，實(shí)時(shí)控制各子系統(tǒng)。系統(tǒng)供能模式如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)供能模式Fig.3 System energy supply mode

3.3 光-儲(chǔ)互補(bǔ)低碳管理平臺(tái)

區(qū)別于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要對(duì)農(nóng)業(yè)作物的實(shí)際狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控。本文搭建的光-儲(chǔ)互補(bǔ)低碳管理平臺(tái)面向生態(tài)園區(qū)的需求，不僅可以實(shí)現(xiàn)溫室的數(shù)據(jù)監(jiān)控、采集、存儲(chǔ)與管理，還涉及對(duì)光伏設(shè)備和用能設(shè)備的監(jiān)控和管理，監(jiān)控范圍不止限于作物，還涵括溫室內(nèi)各種電氣設(shè)備。

3.3.1 平臺(tái)總體架構(gòu)和功能模塊

平臺(tái)由應(yīng)用層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、通信傳輸層和設(shè)備傳感層構(gòu)成?？傮w構(gòu)架如圖4所示。

圖4 管理平臺(tái)總體架構(gòu)Fig.4 General architecture of the management platform

設(shè)備傳感層通過各類傳感器將大棚內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行收集，通信傳輸層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息與互聯(lián)網(wǎng)端的互通，在數(shù)據(jù)服務(wù)層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，由平臺(tái)應(yīng)用層對(duì)電氣設(shè)備發(fā)出指令，從而達(dá)成對(duì)園區(qū)農(nóng)業(yè)的優(yōu)化與管控。

平臺(tái)的基本功能分為數(shù)據(jù)采集展示、數(shù)據(jù)分析管理、園區(qū)管理、智能控制、預(yù)警、三維數(shù)字孿生、系統(tǒng)運(yùn)維等幾個(gè)大模塊組成，每個(gè)模塊具有相應(yīng)的園區(qū)對(duì)應(yīng)方向的管控功能，共同組成了生態(tài)園區(qū)管控平臺(tái)，功能模塊組成如圖5所示。

圖5 管理平臺(tái)功能模塊Fig.5 Functional modules of management platform

平臺(tái)采用一平臺(tái)多模塊的數(shù)字化自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)各層級(jí)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)測、調(diào)配與控制功能，結(jié)合智能用電終端，實(shí)現(xiàn)能源高效利用、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、減少污染排放，最大程度實(shí)現(xiàn)少人或免人維護(hù)，平臺(tái)實(shí)際運(yùn)行情況如圖6所示。

圖6 平臺(tái)運(yùn)行記錄Fig.6 Record of the platform in action

3.3.2 平臺(tái)通用性分析

生態(tài)園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)管控平臺(tái)結(jié)合智能微電網(wǎng)，與智慧能源系統(tǒng)融合形成一套技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)完整、平臺(tái)創(chuàng)新、可復(fù)制推廣的園區(qū)級(jí)低碳智慧農(nóng)業(yè)與智慧能源系統(tǒng)。其通用性體現(xiàn)在兩方面。一是模式通用性：生態(tài)園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)管控平臺(tái)不僅可以應(yīng)用在智能溫室用能場景，在光伏-水產(chǎn)用能典型場景［13］下同樣適用，即利用光伏設(shè)備給水質(zhì)檢測等用能設(shè)備進(jìn)行供能。二是內(nèi)容通用性：由于不同作物的最適生長條件不同，在不同溫室大棚內(nèi)種植差異性作物時(shí)，可以預(yù)先對(duì)大棚的環(huán)境條件進(jìn)行預(yù)設(shè)值。通過對(duì)園區(qū)內(nèi)各大棚的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行可視化的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，結(jié)合與預(yù)設(shè)參數(shù)的對(duì)比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能管理平臺(tái)對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

4 分布式光伏大棚用能消納分析

4.1 評(píng)價(jià)函數(shù)設(shè)計(jì)

為比較光-儲(chǔ)模式下較于傳統(tǒng)模式光伏消納水平的提升，本文在文獻(xiàn)［14］、文獻(xiàn)［15］的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)適用于分布式光伏大棚用能場景下的光伏消納評(píng)價(jià)函數(shù)，通過控制儲(chǔ)能設(shè)備的投入數(shù)量和是否進(jìn)行余電上網(wǎng)，分析比較傳統(tǒng)大棚和應(yīng)用光儲(chǔ)互補(bǔ)模式大棚的差異。評(píng)價(jià)函數(shù)如下

式中：T為時(shí)段數(shù)；PL,t為t時(shí)刻負(fù)荷直接消納的光伏出力；PoutB,t為t時(shí)刻通過儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量而消納的光伏出力；PP,t為t時(shí)刻的光伏出力；ε為懲罰因子，將優(yōu)化問題與經(jīng)濟(jì)問題結(jié)合，取0.001；λ1、λ2為判定因子，取值取0或1；e為單位儲(chǔ)能設(shè)備投入數(shù)量；BS為單位儲(chǔ)能設(shè)備的投放成本；δ為年維修費(fèi)用占比，取3%；year為儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行年限；γ為上網(wǎng)電價(jià)，由國家補(bǔ)貼和脫硫煤收購電價(jià)構(gòu)成；PNout,t為t時(shí)刻的上網(wǎng)功率。

4.2 數(shù)據(jù)參數(shù)及情景設(shè)置

以北方地區(qū)某光伏大棚為例，通過光儲(chǔ)互補(bǔ)低碳管理平臺(tái)對(duì)其夏季時(shí)段光伏出力情況及用能情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測算應(yīng)用光-儲(chǔ)互補(bǔ)模式前后的光伏消納水平。該分布式光伏出力和典型日負(fù)荷曲線如圖7所示，可知，從6:00光伏開始出力，在12:00達(dá)到峰值，到18:00降為零。大棚負(fù)荷水平在6:00—18:00出現(xiàn)短暫的波峰，原因是卷簾門的投入工作，在11:00—14:00，負(fù)荷水平由于二氧化碳發(fā)生器和水泵的工作而達(dá)到峰值。

圖7 分布式光伏出力和日負(fù)荷曲線Fig.7 Distributed PV output and daily load curves

考慮到放電次數(shù)和放電深度，儲(chǔ)能設(shè)備選擇磷酸鐵鋰電池，投放成本為600元/kWh，額定運(yùn)行年限為5年，年維修費(fèi)用占比為5%，最大容量為40 kWh，最小容量為5 kWh，充放電最大功率為15 kW。為了研究光-儲(chǔ)模式的引入對(duì)光伏大棚的影響，設(shè)立4個(gè)情景進(jìn)行對(duì)比分析，不同情景的變量對(duì)比如表1所示。

表1 4種情景變量對(duì)比Table 1 Comparison of four scenario variables

4.3 情景對(duì)比分析

對(duì)上述4種情景進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 四種情景下的仿真結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of simulation results in four scenarios

對(duì)比情景1、情景2和情景3可知，當(dāng)光伏出力和負(fù)荷水平不變時(shí)，投入儲(chǔ)能設(shè)備的數(shù)量變化使典型日的光伏消納率從49.10%提高到59.02%，再到68.91%，但是隨之儲(chǔ)能的投入成本0增加到2.4萬元，再到4.8萬元?？芍鶕?jù)光伏出力和負(fù)荷水平合理配置儲(chǔ)能設(shè)備的容量，可以在犧牲成本的情況下提升光伏消納率。

對(duì)比情景1和情景4可知，當(dāng)光伏出力、負(fù)荷水平和儲(chǔ)能設(shè)備容量不變時(shí)，盈余電量進(jìn)行上網(wǎng)使典型日的光伏消納率從59.02%提高到93.90%，并增加了77.67元的賣電收入。但在實(shí)際運(yùn)行中由于光伏電源滲透率過高會(huì)影響配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，光伏電源往往被要求棄光限電來減少其上網(wǎng)電量值［15］。

5 結(jié)束語

本文研究智能溫室光-儲(chǔ)互補(bǔ)模式，借助建立光-儲(chǔ)互補(bǔ)低碳管理平臺(tái)，驗(yàn)證光-儲(chǔ)互補(bǔ)與余電上網(wǎng)模式下智能溫室光伏資源的就地消納問題。首先，面對(duì)智能溫室典型用能和儲(chǔ)能典型場景，指出了智能溫室現(xiàn)存的問題；其次，考慮了在整縣光伏背景下，分析了智能溫室的供能模式的變化及其意義。再次，提出了“產(chǎn)-用-儲(chǔ)”的供能模式，將智能溫室與“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的光伏消納模式進(jìn)行有機(jī)融合、設(shè)計(jì)了智能溫室“光-儲(chǔ)”互補(bǔ)低碳管理平臺(tái)，并展示了平臺(tái)的框架與功能。最后，通過建立綜合考慮成本、收益、消納率的供能模式評(píng)價(jià)模型，驗(yàn)證了光-儲(chǔ)互補(bǔ)低碳供能模式的可行性。

全文得出以下結(jié)論：

（1）現(xiàn)階段我國溫室大棚存在能源結(jié)構(gòu)較為單一、能源互補(bǔ)滲透水平低和系統(tǒng)成本高3個(gè)問題，通過將智能溫室和分布式光伏融合，改變了系統(tǒng)的供能模式的同時(shí)，3個(gè)問題也得到不同程度的改善。

（2）區(qū)別于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要對(duì)農(nóng)業(yè)作物的實(shí)際狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控，本文考慮到同時(shí)對(duì)發(fā)電設(shè)備和用能設(shè)備管控的光-儲(chǔ)互補(bǔ)低碳管理平臺(tái)，并且在模式和內(nèi)容上均具有通用性。

（3）當(dāng)光伏出力和負(fù)荷水平一定時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備的引入在光伏消納率提高的同時(shí)也帶來了成本的增加，體現(xiàn)在評(píng)價(jià)函數(shù)值隨著儲(chǔ)能設(shè)備的引入而下降；當(dāng)光伏出力、負(fù)荷水平和儲(chǔ)能設(shè)備一定時(shí)，“余電上網(wǎng)”的引入在進(jìn)一步提高光伏消納率的同時(shí)帶來了賣電收益，體現(xiàn)在評(píng)價(jià)函數(shù)值的上升，但存在配電網(wǎng)運(yùn)行受到影響的弊端。通過4種情景的對(duì)比，證明了光-儲(chǔ)互補(bǔ)低碳模式模式的可行性。D