智能温室光储互补供能管理系统设计及应用

李 辉，刘峻玮，梁紫怡，袁海山，叶 昀，陈有强，丁泽琦

（1.国网中兴有限公司，北京 100761；2.中国农业大学 信息与电气工程学院，北京 100083；3.国网冀北电力有限公司 经济技术研究院，北京 100067）

0 引言

2020年9月，我国在第七十五届联合国大会上提出2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标。2021年9月，国家能源局正式印发《公布整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点名单的通知〔2021〕84号》，拉开了整县分布式光伏的序幕。在此背景下，着眼于生态园区，打造绿色、低碳、可持续的发展模式成为近年来的研究热点。

对比国内外研究可知，欧美国家［1—2］智能温室规模大、自动化程度高、生产效率高，主要是通过无线网络技术与计算机控制技术来实现参数的精准控制［3］，研究主要聚焦在温室的智能化控制。而我国［4—5］的智能温室研究主要聚焦园区土地利用率、环境效益和经济效益，主要从温控设备的布置、功率和热工性能等方面进行了研究，以寻求最适合大棚作物的生长条件［6］。综上，现有研究缺少对整县光伏背景下的温室供能模式的研究。

本文在整县光伏的背景下，基于现有生态园区的智能温室的用能情况，分析智能温室结合分布式光伏后的供能模式变化，提出考虑可再生能源就地消纳的生态园区光-储互补低碳供能模式，并在这基础上搭建了智能温室光-储互补低碳管理平台，最后建立一个适用于分布式光伏大棚用能场景下的光伏消纳模型，论证光-储互补低碳供能模式的可行性，为光伏背景下的智能温室建设和发展提供了理论和实践支撑。

1 智能温室典型场景

1.1 智能温室用能

不同的园区场景下的用能模式不尽相同［7］，生态园区农业温室大棚场景主要由光照系统、灌溉系统、温控系统、通风系统等多种用能系统组成。根据温室大棚使用用途，可以分为花卉种植温室、蔬菜种植温室等11种温室。

其中，在种植温室大棚领域，各国现代化种植温室设备研发企业相继开发了各种专用的农业种植温室环境气候控制器及其他诸如土壤灌溉、施肥自动控制器等［8］。与中央控制机构进行数据与信息交换的网络通讯系统，和灌溉、温控、通风等温室用能设备构成智能温室的典型用能场景。

1.2 智能温室储能

受天气原因制约，光伏出力具有不确定性［9］，因此智能温室的储能方式和储能模式在大规模的园区内也是需要考虑的问题。

典型的储能模式分为物理储能和电化学储能［10］，物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能，虽然成本较低，但其效率较低的同时占用较大空间；电化学储能是将电能转化为各种电池的化学能，其优势主要体现在功率可以根据需求配置，地理资源占用少。综合考虑智能温室的储能需求和用能特点，可以将电化学储能作为温室的主要储能手段。

1.3 温室大棚面临问题

在我国科技进步的大环境下，设施农业快速发展，温室大棚迅速崛起，但限制于技术问题，使得我国温室大棚水平落后于发达国家，主要面临以下3点问题。

（1）能源结构较为单一

温度控制占温室能耗费用的主要部分。而传统的温室大棚的温控措施主要依靠化石能源燃烧，不仅温度控制不准确、作物品质受到影响，同时造成了化石能源的浪费和严重的环境污染［11］。

（2）能源互补渗透水平低

在现有的生态园区农业温室大棚的用能层面，由于相关的高水平农业技术人员较少，新能源科技利用率低，一次能源的利用效率较低，大棚的能源互补渗透水平同样较低。

（3）系统成本高

独立的光照系统、通风系统、二氧化碳浓度调控系统等众多智能设备的投入，致使温室大棚前期投资大且回报周期长，同时受突发环境变化的制约，光伏设备的投入难度增大。

2 整县分布式光伏开发对智能温室供能模式影响分析

2.1 整县光伏背景下的智能温室

在双碳目标和整线分布式光伏计划推进的过程中，光伏农业项目的热度持续上升，其中，智能温室与分布式光伏的锲合度尤为突出。智能温室可以作为光伏发电的典型应用场景，一方面温室大棚大多优先选择太阳辐照量大、阴雨天气少，且周围无遮挡的地区，这为分布式光伏提供了良好的光照资源和地理资源，给分布式光伏计划提供了实践基础，从而保障分布式光伏的发电，另一方面，由于智能温室中引入更多的用能设备，比普通大棚具有更多的用能需求，从而助力光能的消纳。

智能温室与整县推进分布式光伏的融合模式，不仅可以充分利用丰富的太阳能资源产生的绿色电力能源，节约煤炭、土地和资源能耗，减排氮氧化物和烟尘等污染物，还可就地缓解农业生产的电力需求，增加农村缺能地区的能源供应量，实现能源综合利用，降低农村生产、生活用能造成的环境污染，提高农业生产力。

2.2 供能模式对比

传统的生态园区供能模式，虽然能源种类和形式多样，但主要供给仍是化石能源，对待环境的改善仍有较大提升空间；通过能源的整合后可供给多元负荷，但是能源之间的互补较为匮乏。

针对传统的传统温室大棚的弊端，考虑整县光伏开发的生态园区的综合能源系统有较为显著的优势，同时有效提高能源利用率，系统的可靠性与稳定性均有所上升，具体表现在以下3个方面，如图1所示。

图1 供能模式对比Fig.1 Comparison of energy supply mode

针对整县光伏背景下的供能模式变化，聚焦传统温室大棚存在的问题，其作用主要为：

（1）进一步改善园区供能结构

在政策的推力下，园区的光伏能源出力大大超过以往。一方面缓解园区的用能紧张，改善生态园区的用能结构，以化石能源为主的传统生态园区的供能结构得到改善。另一方面，大量引入的清洁能源，在保障负荷侧用能需求的同时有效减少了二氧化碳、二氧化硫等气体的排放。

（2）加深能源间的互补与渗透

在整县光伏背景下，园区能源以电力系统和新能源发电为核心，利用先进的信息技术将能源系统与设施农业进行互联。在光伏出力较大的日间，大部分电能可以直接通过园区的农用电气设备进行消纳。针对过剩电能，一部分存储到到储能设备，另一部分进行上网，实现不同区域、不同系统间的联系。在光伏不出力的夜间，储能设备代替光伏发电设备进行出力。储能设备的引入，加深了能源间的互补与渗透，提高了系统的可靠性和系统运行的灵活性［12］。

（3）降低系统总成本

结合园区的区位特点和用能特点，丰富的光照资源和消纳能力从发电侧降低了发电成本，从用能侧减少了“弃光”现象；通过储能设备和“余电上网”的引入，在减少了购电成本的同时也获得了卖电收益。此外，工作人员可以借助管理平台同时监控诸多温室大棚的物理环境，通过电气化设备实现浇灌、施肥等操作，降低了人工成本。

3 考虑可再生能源就地消纳的生态园区光-储互补低碳供能模式

3.1 系统供能方案

太阳能一部分直接照射大棚，供作物进行光合作用，另一部分通过光伏发电设备发电。产生的电能优先供给给用能设备，剩余电能一部分进入储能设备，另一部分进行上网。当光伏出力少时，通过储能设备将能量输送给用能设备，当储能设备和太阳能出力不足时，电网作为后备对用电设备提供保障，系统能量流动如图2所示。

图2 系统能量流动Fig.2 System energy flow

3.2 “产-用-储”的系统供能模式

温室大棚的主要用能设备包括水肥一体化设备、卷帘系统、气象站、通风系统、二氧化碳发生器、传感器和水泵。在发电设备和储能设备稳定供能的基础上，电网作为后备供电保障，不同用能设备根据自身运行特性在额定功率下运行。

微电网监控装置对微电网进行实时监控，主要包括监测配电网功率和电能质量，对光伏设备数据采集和必要时的功率限制。云平台管理设备对微电网监控装置获取的信息进行数据存储、预测分析和优化调度，并对微电网监控装置的下发命令，实时控制各子系统。系统供能模式如图3所示。

图3 系统供能模式Fig.3 System energy supply mode

3.3 光-储互补低碳管理平台

区别于农业物联网主要对农业作物的实际状态和环境参数的监控。本文搭建的光-储互补低碳管理平台面向生态园区的需求，不仅可以实现温室的数据监控、采集、存储与管理，还涉及对光伏设备和用能设备的监控和管理，监控范围不止限于作物，还涵括温室内各种电气设备。

3.3.1 平台总体架构和功能模块

平台由应用层、数据服务层、通信传输层和设备传感层构成。总体构架如图4所示。

图4 管理平台总体架构Fig.4 General architecture of the management platform

设备传感层通过各类传感器将大棚内各项参数进行收集，通信传输层实现数据信息与互联网端的互通，在数据服务层对数据进行分析后，由平台应用层对电气设备发出指令，从而达成对园区农业的优化与管控。

平台的基本功能分为数据采集展示、数据分析管理、园区管理、智能控制、预警、三维数字孪生、系统运维等几个大模块组成，每个模块具有相应的园区对应方向的管控功能，共同组成了生态园区管控平台，功能模块组成如图5所示。

图5 管理平台功能模块Fig.5 Functional modules of management platform

平台采用一平台多模块的数字化自动控制系统，实现微电网各层级的远程智能监测、调配与控制功能，结合智能用电终端，实现能源高效利用、经济调度、减少污染排放，最大程度实现少人或免人维护，平台实际运行情况如图6所示。

图6 平台运行记录Fig.6 Record of the platform in action

3.3.2 平台通用性分析

生态园区物联网管控平台结合智能微电网，与智慧能源系统融合形成一套技术先进、结构完整、平台创新、可复制推广的园区级低碳智慧农业与智慧能源系统。其通用性体现在两方面。一是模式通用性：生态园区物联网管控平台不仅可以应用在智能温室用能场景，在光伏-水产用能典型场景［13］下同样适用，即利用光伏设备给水质检测等用能设备进行供能。二是内容通用性：由于不同作物的最适生长条件不同，在不同温室大棚内种植差异性作物时，可以预先对大棚的环境条件进行预设值。通过对园区内各大棚的数据参数进行可视化的动态监控和数据分析，结合与预设参数的对比，进而实现智能管理平台对环境参数进行调控。

4 分布式光伏大棚用能消纳分析

4.1 评价函数设计

为比较光-储模式下较于传统模式光伏消纳水平的提升，本文在文献［14］、文献［15］的基础上，建立一个适用于分布式光伏大棚用能场景下的光伏消纳评价函数，通过控制储能设备的投入数量和是否进行余电上网，分析比较传统大棚和应用光储互补模式大棚的差异。评价函数如下

式中：T为时段数；PL,t为t时刻负荷直接消纳的光伏出力；PoutB,t为t时刻通过储能系统存储的能量而消纳的光伏出力；PP,t为t时刻的光伏出力；ε为惩罚因子，将优化问题与经济问题结合，取0.001；λ1、λ2为判定因子，取值取0或1；e为单位储能设备投入数量；BS为单位储能设备的投放成本；δ为年维修费用占比，取3%；year为储能设备运行年限；γ为上网电价，由国家补贴和脱硫煤收购电价构成；PNout,t为t时刻的上网功率。

4.2 数据参数及情景设置

以北方地区某光伏大棚为例，通过光储互补低碳管理平台对其夏季时段光伏出力情况及用能情况进行统计，测算应用光-储互补模式前后的光伏消纳水平。该分布式光伏出力和典型日负荷曲线如图7所示，可知，从6:00光伏开始出力，在12:00达到峰值，到18:00降为零。大棚负荷水平在6:00—18:00出现短暂的波峰，原因是卷帘门的投入工作，在11:00—14:00，负荷水平由于二氧化碳发生器和水泵的工作而达到峰值。

图7 分布式光伏出力和日负荷曲线Fig.7 Distributed PV output and daily load curves

考虑到放电次数和放电深度，储能设备选择磷酸铁锂电池，投放成本为600元/kWh，额定运行年限为5年，年维修费用占比为5%，最大容量为40 kWh，最小容量为5 kWh，充放电最大功率为15 kW。为了研究光-储模式的引入对光伏大棚的影响，设立4个情景进行对比分析，不同情景的变量对比如表1所示。

表1 4种情景变量对比Table 1 Comparison of four scenario variables

4.3 情景对比分析

对上述4种情景进行仿真计算，对比结果如表2所示。

表2 四种情景下的仿真结果对比Table 2 Comparison of simulation results in four scenarios

对比情景1、情景2和情景3可知，当光伏出力和负荷水平不变时，投入储能设备的数量变化使典型日的光伏消纳率从49.10%提高到59.02%，再到68.91%，但是随之储能的投入成本0增加到2.4万元，再到4.8万元。可知，根据光伏出力和负荷水平合理配置储能设备的容量，可以在牺牲成本的情况下提升光伏消纳率。

对比情景1和情景4可知，当光伏出力、负荷水平和储能设备容量不变时，盈余电量进行上网使典型日的光伏消纳率从59.02%提高到93.90%，并增加了77.67元的卖电收入。但在实际运行中由于光伏电源渗透率过高会影响配电网的稳定运行，光伏电源往往被要求弃光限电来减少其上网电量值［15］。

5 结束语

本文研究智能温室光-储互补模式，借助建立光-储互补低碳管理平台，验证光-储互补与余电上网模式下智能温室光伏资源的就地消纳问题。首先，面对智能温室典型用能和储能典型场景，指出了智能温室现存的问题；其次，考虑了在整县光伏背景下，分析了智能温室的供能模式的变化及其意义。再次，提出了“产-用-储”的供能模式，将智能温室与“自发自用，余电上网”的光伏消纳模式进行有机融合、设计了智能温室“光-储”互补低碳管理平台，并展示了平台的框架与功能。最后，通过建立综合考虑成本、收益、消纳率的供能模式评价模型，验证了光-储互补低碳供能模式的可行性。

全文得出以下结论：

（1）现阶段我国温室大棚存在能源结构较为单一、能源互补渗透水平低和系统成本高3个问题，通过将智能温室和分布式光伏融合，改变了系统的供能模式的同时，3个问题也得到不同程度的改善。

（2）区别于农业物联网主要对农业作物的实际状态和环境参数的监控，本文考虑到同时对发电设备和用能设备管控的光-储互补低碳管理平台，并且在模式和内容上均具有通用性。

（3）当光伏出力和负荷水平一定时，储能设备的引入在光伏消纳率提高的同时也带来了成本的增加，体现在评价函数值随着储能设备的引入而下降；当光伏出力、负荷水平和储能设备一定时，“余电上网”的引入在进一步提高光伏消纳率的同时带来了卖电收益，体现在评价函数值的上升，但存在配电网运行受到影响的弊端。通过4种情景的对比，证明了光-储互补低碳模式模式的可行性。D