【精彩论文】考虑多元产业协同的乡村综合能源系统规划

考虑多元产业协同的乡村综合能源系统规划

李民¹, 刘钦浩², 赵冠³, 周步祥⁴, 夏海东⁴, 臧天磊⁴

（1. 国网山东省电力公司，山东 济南 250000; 2. 四川科锐德电力通信有限公司，四川 成都 610095; 3. 国网山东省电力公司营销服务中心，山东 济南 250000; 4. 四川大学 电气工程学院，四川 成都 610065）

摘要：随着乡村现代化建设不断深入，乡村种植业、畜牧业和农产品加工业等现代乡村多元产业蓬勃发展，在乡村多元产业的基础上，提出了一种包含乡村多元产业、垃圾废物处理与可再生能源发电的乡村多能源系统规划模型。首先，研究乡村畜牧养殖业粪污制气设施与垃圾热解气化发电设施的废物处理与能源产出特性，建立乡村废物处理设施的电、气、热能源供给模型；其次，研究乡村多能源综合体内多元产业电、热、燃气等多种类能源负荷的需求特性，并考虑多元产业之间的协同，建立了乡村多能源综合体的能源需求模型，并采用Cplex求解器进行模型求解。最后，选取北方某大型乡村对所提方法进行仿真验证，结果表明：本文方法能实现乡村资源的充分利用和乡村多元产业协同，提升经济效益。

引文信息

李民, 刘钦浩, 赵冠, 等. 考虑多元产业协同的乡村综合能源系统规划[J]. 中国电力, 2022, 55(8): 14-22.

LI Min, LIU Qinhao, ZHAO Guan, et al. Rural integrated energy system planning considering multi-industry synergy[J]. Electric Power, 2022, 55(8): 14-22.

引言2021年中央一号文件指出，社会主义现代化建设的重要一步是全面推进乡村振兴，全面推进乡村文化、产业、人才、生态、组织振兴。充分挖掘乡村优势，发挥乡村农副产品供给、生态屏障、文化传承等功能，加快农业农村现代化^[1]。随着现代化乡村建设的不断深入，蓬勃发展的乡村种植、畜牧等产业带来了日益增长的生物质垃圾、畜禽粪污、高耗能等环境问题。显然，高污染、高耗能的乡村多元产业发展模式不符合当前绿色低碳的发展理念。乡村的传统用能模式通过向电网购电满足用电需求，燃烧作物秸秆及煤炭获取热能，该模式不仅能源利用效率低，环保问题突出，而且供能的安全性和可靠性也难以保障。在现代化的中国农村中，生产规模和技术高度集中后，农村能源的生产、传输、转换、存储及消费都将随之发生根本性转变^[2]。文献[3-4]分析了现代农业园区特点，建立了农业园区综合能源系统；文献[5]分析了农业设备设施与太阳能光伏发电技术之间的深度耦合模式；文献[6]基于区块链技术，利用农业设施负荷的可时移特性，提出了就地最大程度消纳光伏的控制策略；文献[7]提出了将智能农业与清洁能源消纳相结合，利用剩余清洁能源供应农业生产、利用智能农业提升电力系统的清洁能源渗透率；文献[8]提出了具有自感知力的能源互联网，能够有效感知综合能源系统中多能流变化，提升能源的利用效率；文献[9-13]考虑了垃圾的能源化利用，将垃圾能源化利用引入综合能源系统；文献[14]为了保障综合能源系统规划的可靠性，基于多能源枢纽研究了综合能源系统建模方法；文献[15-17]考虑了综合能源系统规划及运行时的需求侧响应，显著降低了经济性成本；文献[18]提出了协调经济性和可靠性的园区综合能源系统规划方法，在经济性最优的基础上保障了综合能源系统的可靠性；文献[19]考虑了多能能源网络分布对系统经济性的影响；文献[20]考虑了综合能源系统规划和运行的时序特性，提出了考虑多阶段规划和设备更换的规划方法。

上述研究在综合能源系统规划模型和方法等方面取得了一些成果，但是仍未考虑乡村多元产业的协调与乡村资源的充分利用。为此，本文构建了一种乡村综合能源系统，系统包含可再生能源、废物处理、畜牧养殖业、农业种植和农副产品加工，并深入分析乡村资源利用、能源供需与多元产业之间的协调关系。首先，基于乡村的资源优势，建立了多种类废物处理及能源供给模型；其次，根据乡村多元产业的用能特性，建立了乡村多元产业数学模型。最后，在此基础上建立了考虑乡村多元产业协调的综合能源系统规划模型，有效保障了乡村多能源系统供能的可靠性，以及垃圾处理、多元产业协同的有效性。

1  乡村综合能源框架及多元产业模型

乡村畜牧业、养殖业、产品加工等产业与综合能源系统具有很强的产消互补性^[1]。一方面系统利用多能耦合设备生产电、气、热等能源，满足乡村多元产业的用能需求；多元产业向综合能源系统反馈秸秆、牲畜粪便等农业生物质。另一方面，乡村综合能源系统可以利用生物质，通过沼气池、热解气化等设备产出的电、热、气等能源维持多元产业的运行。

本文基于某现代化大型乡村构建了一种乡村综合能源系统，输入为可再生能源，包括风电、光伏、生物质废物以及大电网购电和气网购气。输出为电、热、气多种能源及农副产品的售卖。其中，能源耦合设备包括电锅炉、燃气锅炉、沼气机组等设备；储能设备包括温室大棚、农产品加工及居民用户等多能源负荷。

1.1  沼气模型

将畜牧养殖的粪污与农村厨余垃圾进行混合发酵制取沼气，可用于沼气机组发电，也可用于沼气锅炉制热，供温室大棚与居民使用。同时发酵剩余沼渣、沼液亦可作为肥料。由于沼气池的沼气产气率受温度的影响较大，需要一定的热能维持沼气池的正常发酵。通常情况下，沼气在最佳反应温度（35±1℃）时，原料利用率和反应速率最高，产气量最大。沼气模型为

式中： E_bio 为沼气池单位时间产量，m³/t； T_z 、 T_o 分别为实际反应温度和最佳反应温度，计算时 T_o 取35℃；a和b为数据拟合所得系数；为维持沼气池35℃所需的热能；为耗散的热能； V_B 为沼气反应池容积； cm 为投料热容，J/(kg·K)； ρ_m 为投料密度，kg/m³；M为投料质量，kg； A_o 为池内散热面积，m²； k_o 为传热系数，W/(m²·K)； T_e 为沼气池的外部温度，K。1.2  热解气化发电模型热解气化一般利用农业、林业的有机废物如秸秆作为原料，垃圾分类后的废物如废塑料、编织物等也可循环利用。通过粉碎或颗粒化处理，采用热解气化的方式得到可燃气体，净化后的燃气可以通过燃气轮机实现热电联供，如图1所示。图1  垃圾气化处理供能流程Fig.1  Energy supply process for garbage gasification treatment

系统供能模型可表示为

式中： V_fuel(t) 为热解气化炉的产气功率，m³/t； m_f(t) 为t时刻垃圾的气化量，kg/t； β_f 为垃圾可气化系数，m³/kg； η_f 为热解炉效率； P_PG(t) 为燃气轮机的发电功率；λ_f 为可燃气体含量； Q_f 为可燃气体燃烧热值，本文取4185.8 kJ/m³； η_PG 为燃气轮机发电效率； P_PG,H(t) 为燃气轮机的余热回收效率； η₁ 和 η_h 分别为燃气轮机热损耗系数和烟气利用系数。1.3  太阳能光热发电模型太阳能光热发电是利用太阳光聚集产生高温蒸汽，一部分通过蒸汽轮机发电，一部分用于供热，其数学模型为

式中： P_PT 为光热发电功率； η_st 为蒸汽轮机发电效率； E_solar 为集热系统提供的热能； x_p 为进入蒸汽轮机热能比例系数； H_{PT - H} 为光热产热功率； η_ex 为换热器效率； η_WH 为蒸汽轮机余热回收效率。

1.4  产业建模1.4.1  农业种植产业（1）补光模型。补光灯是农业设施环境调控的重要设备，当自然光强度不足时，可以提供额外的光照强度来促进作物的生长。且温室大棚的补光量与天气条件密切相关，本文采用数据拟合的方式计算补光量 I(t) 和 P_ELE(t) 照明能耗。式中： I_LI 和 I_li(t) 分别为温室作物生长标准光照强度和t时刻的光照强度，lx； μ₁ 、 μ₂ 、 μ₃ 为拟合系数；S为温室面积，m²； ϕ₀ 为单位面积光通量，lx/m²； ξ 为修正系数；N为补光灯数量； η 为补光灯光效。（2）调温模型。温室内温度的高低往往会影响农作物的产量，因此，有必要对温室的调温模型进行研究。通常可利用采暖、通风和空调模型来描述基于热水供暖系统的热环境。典型的暖通空调机组等效热参数可表示为式中：T_indoor为温室内的温度；T_out为温室外环境温度；为向温室提供的热功率；为温室损失的热功率； C_m 为温室内空气比热容，kJ/(kg·K)； m_k 为温室内空气质量； δ_loss 为温室的散热系数。（3）补水模型。温室植物的需水量与气候条件紧密相关，本文以空气湿度作为条件计算作物需水量。式中： G_t(t) 为t时段灌溉的需水量； P_ele(t) 为供水电功率； h_st 为空气的标准湿度，相对湿度为50%； h_s(t) 为t时段空气的湿度； ∂₁ 、 ∂₂ 、 ∂₃ 为拟合系数； ρ 为水的密度； g 为重力加速度，g/m²； Z_m 为几何扬程； η_e 为水泵机械效率。（4）农业种植产业用能成本 C_ir 模型为式中：N_T 为小时数； c_ELE 、 c_H 、 c_G 分别为电价、热价和气价； P_ir,G 为农业种植的气负荷。1.4.2  养殖业模型畜牧养殖产业粪污量可表示为式中： m_st 为乡村养殖业的粪污量； m_i,j,in 和 m_i,j,out 分别为第i种畜禽存栏和出栏的每日产生的粪污量； N_i,j,in 和 N_i,j,out 分别为第i种畜禽的存栏和出栏数量。畜牧养殖业的总用能成本可表示为式中： P_1b,ELE(t) 、 P_1b,H(t) 、 P_1b,G(t) 分别为养殖业的电负荷、热负荷、气负荷。1.4.3  农产品加工模型由种植业、畜牧业等产出的农副产品需要深度加工后出售，同时部分产品需要冷冻保存。电制冷存储模型可表示为式中： L_c(t) 为冷负荷需求； P_c(t) 为制冷机功率； η_c 为制冷效率。农产品加工的总用能成本 C_ap 模型可表示为式中： P_ap,ELE(t) 、 P_ap,H(t) 、 P_ap,G(t) 分别为农产品加工业所需的电、热、气负荷。2  多元产业协同模式

多元产业的协同模式如图2所示。其中，农业种植业、畜牧养殖业和农产品加工业通过垃圾清运车将相应的垃圾转运至废物处理产业进行处理。另一方面，废物处理产业通过对多种废物进行处理可与可再生能源发电产业协同供能，沼气池发酵剩余产物亦可作为农作物肥料。

图2  多元产业协同模式

Fig.2  Multi-industry synergy mode

为充分消纳可再生能源和平抑峰谷差，考虑对农业种植业、畜牧养殖业和农产品加工业的负荷在允许范围内实施需求侧响应(demand response，DR)，多元产业负荷参与DR，可给予产业负荷适当的经济补偿。可转移负荷 PDR 和产业负荷补偿成本 C_DR 可表示为

式中： P_cut,i(t) 、 P_mov,i(t) 、 P_re,i(t) 分别为消减、转移和替代负荷； ξ_cut 、 ξ_mov 、 ξ_re 为削减、转移和替代负荷比例系数； δ_cut 、 δ_mov 和 δ_re分别为DR削减、转移和替代负荷的补偿成本系数。

3  考虑多元产业协同的乡村综合能源系统结构

含有农业种植、畜牧养殖、农产品加工的乡村多能源综合体内部能源供应主要以光伏、风电为主。并且考虑可处理农村生物质废物、生活垃圾的废物能源利用设备，以多元协调储能系统作为灵活性调节资源。多能源综合体外部与配电网、气网相连。其拓扑结构如图3所示。

图3  乡村综合能源系统能流示意

Fig.3  Schematic diagram of energy flow in the energy hub of a multi-energy complex

4  乡村综合能源系统规划模型及其求解

本文建立的综合能源系统的规划模型，其主要目的是在绿色环保的乡村发展背景下，在处理乡村垃圾和农村废物的基础上，协同多元产业与能源系统，形成农副产品外送与能源自给的乡村综合能源系统。基于能源集线器理论建立乡村综合能源系统规划模型，除了外部各类负荷需求已知外，乡村多能源综合体内部结构以及设备类型和数量均未知，需要对系统进行初始规划^[12]。

4.1  目标函数

以乡村多能源综合体总规划成本Z最小为目标函数，其包括建设成本、维护成本、环境成本、购电成本，垃圾处理补贴收益。

式中： C_inv 为综合能源系统建设成本； C_op 为维护成本； C_E 为环境成本； C_F 为购能成本； C_DR 为多元产业协调成本； C_sub 为垃圾处理收益。（1）建设成本可表示为式中： N_station 为综合能源系统内设备总数；r为贴现率； P_i 、 T_i 、 ϕ_i 分别为设备i的规划容量、生命周期和单位容量建设成本。（2）维护成本可表示为式中： P_s,t 为设备s的出力；为设备s的单位出力维护成本。（3）购电成本。乡村多能源综合体与主电网处于并网运行状态，依据分时电价从主电网购售电，则电网购售电成本可表示为式中：分别为t时刻的购电和购气价格；为t时刻的购电和购气功率。（4）环境成本可表示为式中：J为能量形式数量；为碳排放成本； ξ_j 为碳排放系数； P_e,j,t 、 P_h,j,t 、 P_g,j,t 分别为单位电功率、单位热功率和单位天然气燃烧的碳排放量。（5）垃圾处理收益可表示为式中：K为垃圾类型数量； m_k(t) 为t时间段内处理k类型的垃圾量；为处理k类型垃圾可获得的收益。4.2  约束条件（1）设备选型约束为式中：为综合能源系统内设备s的安装系数，1表示安装，0表示未被安装； P_s 表示各规划类设备的安装容量；分别为安装容量的最小值和最大值；为选型系数，1表示设备s的第i种类型被选中，0则表示没有被选中。（2）功率平衡约束为式中： P_PT(t) 、 P_WT(t) 、 P_PG(t) 、 P_BG(t) 分别为各类设备提供的电功率；分别为太阳能光热设备、沼气机组和热解气化机组提供的热功率；分别为气网购气和沼气制气设施的气功率； P_ESS(t) 、 P_TES 、 P_GSS 分别为储电、储热和储气功率；分别为电制冷机组功率和各类用气设备消耗的气功率。（3）设备爬坡约束。综合能源系统内各设备在运行中需要满足设备的最大最小功率约束和爬坡约束，即式中： P_x,max 、 P_x,min 分别为各类能源设备的最大、最小运行功率； D_x 、 B_x 分别为不同能源设备的向上向下爬坡率。（4）多元产业可调负荷约束可表示为式中： P_ELE,AD,min(t) 、 P_H,AD,min(t) 、 P_G,AD,min(t) 分别为多元产业电、热、气负荷的调节下限； P_ELE,AD,max(t) 、 P_H,AD,max(t) 、 P_G,AD,max(t) 分别为多元产业电、热、气负荷的调节上限。4.3  模型求解

考虑多元产业协同的乡村综合能源系统规划模型，属于典型的混合整数线性规划问题，采用Matlab平台的Cplex求解器进行求解。

5  算例分析5.1  算例描述

以北方某大型乡村作为规划对象，该乡村产业主要包括大棚种植业、畜牧业以及农副产品加工业。本文规划的能源设备包括沼气制气设施、沼气锅炉、沼气发电机组、热解气化发电机组、电制冷机组、太阳能光热设备以及多元储能设施，相关设备参数如表1^[11]和表2所示^[2,9]。同时，电价采用分时电价^[2]，10:00—15:00和18:00—21:00为峰时，电价为0.98元/(kW·h)；07:00—10:00和15:00—18:00为平时，电价为0.65元/(kW·h)；23:00—次日07:00为谷时，电价为0.36元/(kW·h)。

表1  能源供给转换及存储设施参数

Table 1  Energy supply conversion and storage facility parameters

表2  垃圾能源化利用设施参数

Table 2  Parameters of waste-to-energy utilization facilities

规划时，考虑到项目周期较长，如果采用逐时计算的方式进行优化规划，整个问题规模巨大而难以求解。因此，按照乡村的用能特性，将每年分为2个典型季节：冬季（11月—次年5月）和夏季（6月—10月），如图4所示。首先考虑负荷的季节特性，通过合成聚类的方法，生成各负荷中心典型日场景。其次，根据各典型日光照和气候条件获取光伏和风机出力。

图4  典型日负荷曲线

Fig.4  Typical daily load curve

5.2  规划方案及结果分析为验证乡村综合能源规划模型的合理性，设置了3种规划方案，并进行了经济性分析。方案1：采用传统的综合能源供能方式，各个产业之间相互独立，各产业之间不能协调互动，按照各自的能源需求进行用能，多元产业的剩余产物未统一优化利用。方案2：考虑多元产业之间统一供能，但是未考虑多元产业的协调互动，多元产业未参与需求响应。方案3：采用基于乡村多元产业之间协同的供能方式，多元产业之间可以协调互动（即多元产业可以参与需求响应），且多元产业的剩余产物统一优化利用。

根据5.1节的参数设置，得到了3种规划方案下的能源设备配置结果，如表3所示。

表3  不同方案的规划结果及容量配置对比

Table 3  Comparison of planning results and capacity configuration of different schemes

由表3的配置结果可知，方案1各产业用能负荷高峰较为集中，导致在规划过程中各能源生产设备的容量略有增加，主要设备包括热解气化发电机组、沼气锅炉、沼气发电机组、储热设施等设备，并且由经济性对比结果（见表4）可知，方案3经济性最优。

表4  不同规划方案下的经济性对比

Table 4  Economic comparison under different planning schemes

5.3  多元产业协同经济性分析

多元产业协同后的经济性对比如图5所示。由图5可以看出，乡村综合能源系统参与多元产业协调后，各产业成本均有所降低。以畜牧养殖业为例，养殖业饲料为固定成本，但是多元产业协调后，产业负荷参与能源系统的需求侧响应，得到一定补偿。一部分农作物的肥料来源于沼气池发酵剩余产物，降低成本。另一方面，对于乡村能源综合系统来说，产业负荷参与需求侧响应能够更好地调节多种能源，减少弃风、弃光。通过数据对比可知，方案3较方案2在垃圾处理、农业种植、畜牧养殖产业和农产品加工业方面的成本分别降低了18.79%、34.34%、39.03%和37.18%。

图5  多元产业协同前后成本分析

Fig.5  Cost analysis before and after multi-industry synergy

由于在乡村综合能源系统中，多元产业产生的剩余垃圾可以被优化利用，处理垃圾会得到收益，不同的规划方案使得垃圾处理能力与收益有所不同，垃圾处理收益如表5所示。由表5可知方案3的收益最高，是因为多元产业经过协调互动后增加了垃圾处理量，且垃圾处理后的剩余产物可以用作肥料，减少种植业的成本。

表5  垃圾处理量和收益对比

Table 5  Comparison of waste disposal volume and income

5.4  需求响应前后负荷及经济性分析

乡村综合能源系统负荷需求响应前后负荷以及购能成本变化如图6、表6所示。在含光伏和风电的乡村综合能源系统中增加需求响应，能够促进白天的高峰负荷向夜晚转移，提升夜间风电的消纳率，减少负荷高峰时段的购电成本与购气成本，进一步提升经济效益。

图6   计及需求响应前后负荷变化曲线

Fig.6  Load change curve before and after taking into account demand response

表6  需求响应前后购能成本对比

Table 6  Comparison of energy purchase costs before and after demand response

6  结论为全面推进乡村振兴战略，助力现代化的乡村产业体系建设。本文提出了一种考虑乡村多元产业的综合能源系统规划模型，通过算例验证了其有效性，得到了以下结论。（1）基于乡村的综合能源系统，不仅为内部的多源产业集群和居民供能，还可以处理自身生产生活的垃圾，能够有效地改善农村环境。（2）乡村多元负荷可以作为灵活性资源，参与需求侧响应，通过多元产业间的相互协调，能够降低多元产业整体用能成本，提升经济效益。（3）对内，各种废物处理设施可作为多能源系统的灵活性资源，并与能源耦合与存储设备相配合使能源生产成本尽可能小；对外，当外部能源网有需求时，乡村多能源综合体能够提供优质能源并获取收益。未来将进一步对乡村多元产业进行评估，为合理地进行产业布局，并为其量身规划能源系统，同时为了保障供能的可靠性，将对乡村综合能源系统进行安全性分析，充分保障乡村能源供应的可靠性。（责任编辑　蒋东方）

作者介绍

李民（1973—），男，硕士，高级工程师，从事电力系统及其自动化研究，E-mail：[e-mail];

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夏海东（1995—），男，硕士研究生，从事综合能源系统优化规划研究，E-mail：[e-mail];

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臧天磊（1986—），男，通信作者，博士，特聘副研究员，从事综合能源系统运行优化与控制研究，E-mail：[e-mail].欢迎点击文后“阅读原文”跳转期刊官网，获取更多信息！

 往期回顾 

编辑：于静茹、杨彪

校对：蒋东方

审核：方彤

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