考虑多元产业协同的乡村综合能源系统规划

李民，刘钦浩，赵冠，周步祥，夏海东，臧天磊

(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)

0 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：Ebio为沼气池单位时间产量，m3/t；Tz、To分别为实际反应温度和最佳反应温度，计算时

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：Vfuel(t)为热解气化炉的产气功率，m3/t；mf(t)为t时刻垃圾的气化量，kg/t； βf为垃圾可气化系数，m3/kg； ηf为热解炉效率；PPG(t)为燃气轮机的发电功率； λf为可燃气体含量；Qf为可燃气体燃烧热值，本文取4 185.8 kJ/m3； ηPG为燃气轮机发电效率；PPG,H(t)为燃气轮机的余热回收效率； η1和 ηh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：PPT为光热发电功率； ηst为蒸汽轮机发电效率；Esolar为集热系统提供的热能；xp为进入蒸汽轮机热能比例系数；HPT-H为光热产热功率；ηex为换热器效率； ηWH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

1.4.2 养殖业模型

1.4.3 农产品加工模型

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

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

4.2 约束条件

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万元

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万元

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。