牛浩森，付學(xué)謙

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京市 100083)

0 引 言

工業(yè)革命以來(lái)，世界各國(guó)對(duì)能源需求日益增長(zhǎng)，化石燃料被大量用于生產(chǎn)能源，導(dǎo)致社會(huì)飛速發(fā)展的同時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。能源系統(tǒng)迫切需要做出改變，減少CO2等溫室氣體排放，降低環(huán)境污染。增大新能源比例以代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源，降低能源系統(tǒng)發(fā)電、產(chǎn)熱等產(chǎn)能環(huán)節(jié)碳排放是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要手段。近年來(lái)，各學(xué)者對(duì)能源系統(tǒng)碳減排做了大量研究。文獻(xiàn)[1]提出了基于太陽(yáng)能熱化學(xué)的分布式功能系統(tǒng)，結(jié)果顯示集成系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[2]提出一種考慮最優(yōu)建設(shè)時(shí)序的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)低碳規(guī)劃方法，通過(guò)建立碳交易模型及含碳捕集裝置的綜合能源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究在不同碳目標(biāo)約束下，最優(yōu)建設(shè)時(shí)續(xù)及容量配置，實(shí)現(xiàn)園區(qū)低碳運(yùn)行。文獻(xiàn)[3]提出了一種氫能驅(qū)動(dòng)下鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)低碳發(fā)展模式，以低碳、綠色、環(huán)保、節(jié)能為目標(biāo)，定量研究“綠色-氫能-工業(yè)”耦合系統(tǒng)，為碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的盡快實(shí)現(xiàn)提供了思路。文獻(xiàn)[4]提出一種基于離散混合自動(dòng)機(jī)的優(yōu)化模型，針對(duì)多能耦合的綜合能源園區(qū)，計(jì)算低碳運(yùn)行模式下的日前優(yōu)化結(jié)果，提高園區(qū)機(jī)組減排能力。

電力系統(tǒng)作為能源系統(tǒng)樞紐, 對(duì)我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)的轉(zhuǎn)型將起到關(guān)鍵作用[5]。文獻(xiàn)[6]總結(jié)了電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)路徑,即構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]評(píng)估了電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)碳中和過(guò)程中減排速度和節(jié)奏、電力系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)等關(guān)鍵問(wèn)題，進(jìn)而分析了中國(guó)電力系統(tǒng)低碳發(fā)展方向。文獻(xiàn)[8]研究了火電行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和情景預(yù)測(cè)模型，推動(dòng)火電行業(yè)實(shí)現(xiàn)較低碳排放峰值。文獻(xiàn)[9]研究了“雙碳”目標(biāo)背景下電力市場(chǎng)改革機(jī)制，通過(guò)合理的價(jià)格政策設(shè)計(jì)，調(diào)動(dòng)發(fā)電企業(yè)減排的積極性，從需求側(cè)影響并促使發(fā)電企業(yè)降低碳排放。文獻(xiàn)[10]提出一種考慮網(wǎng)損雙向分?jǐn)偟碾娏ο到y(tǒng)碳流計(jì)算方法，精準(zhǔn)評(píng)估了新能源機(jī)組的減排貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[11]提出了考慮碳排放流理論的風(fēng)-碳捕集-電轉(zhuǎn)氣聯(lián)合新型中長(zhǎng)期調(diào)度方式，通過(guò)碳排放流理論對(duì)系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)的碳排放分布和強(qiáng)度進(jìn)行了定量評(píng)估。

石油農(nóng)業(yè)階段，化石燃料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模使用產(chǎn)生大量溫室氣體，使得農(nóng)業(yè)碳排放成為全球變暖的重要因素之一。農(nóng)業(yè)碳排放在中國(guó)占總排放量的17%，在美國(guó)僅占7%，在全球僅占11%[12]。這表示減少農(nóng)業(yè)碳排放(agriculture carbon emission，ACE)對(duì)中國(guó)的影響將比對(duì)其他國(guó)家更為顯著。其中種植業(yè)方面，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)75%的CO2排放來(lái)源是化肥、飼料和燃料的使用[13]；養(yǎng)殖業(yè)方面，保溫、通風(fēng)及生物活動(dòng)等會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體，造成嚴(yán)重大氣污染[14]；農(nóng)村生活方面，農(nóng)村燃煤供暖、垃圾焚燒和填埋都造成大量CO2排放[15]。因此，我國(guó)急需針對(duì)農(nóng)業(yè)高碳排放問(wèn)題，進(jìn)行能源供給方式的轉(zhuǎn)變。

文獻(xiàn)[16]提出要加快農(nóng)村用能方式變革，加強(qiáng)小水電代燃料生態(tài)保護(hù)工程建設(shè)，加快推進(jìn)新農(nóng)村電氣化，加強(qiáng)農(nóng)村農(nóng)業(yè)生活節(jié)能減排工作。文獻(xiàn)[17]主張將生物質(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)、分布式光伏風(fēng)電等多種能源開(kāi)發(fā)方式有機(jī)結(jié)合，形成智能高效的區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)和能源綜合梯級(jí)利用的系統(tǒng)，滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)中能量需求的同時(shí)，減少農(nóng)業(yè)碳排放。農(nóng)業(yè)電氣化是推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的重要?jiǎng)恿Γ娔芴娲鷤鹘y(tǒng)化石原料，是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳減排的重要手段。20世紀(jì)70年代以來(lái)，變頻電機(jī)水泵[18]、靜電殺蟲(chóng)除草[19]等以電能替代化石燃料供能的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備在農(nóng)村廣泛應(yīng)用，大大提高了農(nóng)業(yè)清潔化程度。

農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)作為能源與農(nóng)業(yè)深度耦合的產(chǎn)物，是實(shí)現(xiàn)“雙碳“目標(biāo)的重要手段。農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)涉及農(nóng)業(yè)、能源、信息三個(gè)領(lǐng)域交叉融合，信息流對(duì)能源流進(jìn)行控制，能源流保證農(nóng)業(yè)生理特征[20]。文獻(xiàn)[21]分析了光伏與農(nóng)作物的爭(zhēng)光現(xiàn)象，建立了農(nóng)業(yè)與能源的空間耦合模型。文獻(xiàn)[22]研究了農(nóng)業(yè)-氣象-能源耦合機(jī)理，介紹了三者耦合的國(guó)內(nèi)外先進(jìn)應(yīng)用，為我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供了參考。文獻(xiàn)[23]介紹了農(nóng)村農(nóng)業(yè)能源發(fā)展中先進(jìn)的能源和信息化技術(shù)，認(rèn)為通過(guò)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，發(fā)展低碳化的農(nóng)村能源，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳中和。文獻(xiàn)[24]總結(jié)了農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的安全分析技術(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的安全問(wèn)題進(jìn)行探索，保證能源、糧食雙重安全。農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)已成為農(nóng)業(yè)綜合能源體系的延伸，成為中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[25]。

本文以園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)為研究對(duì)象，主要?jiǎng)?chuàng)新如下：1)提出面向農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)碳循環(huán)的核算方法；2)基于農(nóng)業(yè)可時(shí)移柔性負(fù)荷，以計(jì)及碳交易費(fèi)用的園區(qū)日運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)園區(qū)用能進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，減少園區(qū)碳排放，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)園區(qū)碳中和。

為核算農(nóng)業(yè)園區(qū)各環(huán)節(jié)碳排放量，減少農(nóng)業(yè)園區(qū)碳排放，本文首先明確所研究的農(nóng)業(yè)園區(qū)碳核算邊界及內(nèi)容；其次建立能源設(shè)備及碳排放模型、電熱儲(chǔ)能模型、溫室電熱負(fù)荷模型及運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度模型；最后以園區(qū)日運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度仿真，得出農(nóng)業(yè)園區(qū)各環(huán)節(jié)碳排放數(shù)據(jù)。

1 研究框架

1.1 農(nóng)業(yè)園區(qū)碳核算邊界及內(nèi)容

本文以園區(qū)行政邊界為系統(tǒng)邊界，核算邊界內(nèi)的直接碳排放、源自邊界內(nèi)活動(dòng)但發(fā)生在外部的間接碳排放及碳減排、碳吸收情況。本文研究的碳內(nèi)容包括4個(gè)方面：新能源碳減排、光合作用碳吸收、燃?xì)馓寂欧拧①?gòu)電間接碳排放，如圖1所示。

圖1 碳核算內(nèi)容

1)光伏發(fā)電碳減排。本文因園區(qū)的光伏發(fā)電量較小，在優(yōu)化調(diào)度后基本實(shí)現(xiàn)全部消納，故不考慮光伏并網(wǎng)的情況。計(jì)算碳減排量時(shí)，按照消納光伏電量通過(guò)國(guó)家核證自愿減排量(Chinese certified emission reduction， CCER)的中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子進(jìn)行核算。

2)植物光合作用碳吸收。植物光合作用的碳吸收量通過(guò)當(dāng)?shù)毓庹盏葰庀髷?shù)據(jù)計(jì)算植物光合作用強(qiáng)度，進(jìn)而計(jì)算碳吸收量。

3)沼氣發(fā)電機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power， CHP)機(jī)組及輔助鍋爐燃?xì)庵苯犹寂欧?。該部分的碳排放?lái)源為天然氣、沼氣的燃燒。通過(guò)核算機(jī)組使用的燃料量，計(jì)算燃燒所釋放的CO2量。通過(guò)核算機(jī)組的電、熱出力，計(jì)算機(jī)組所分配的碳配額量。

4)外購(gòu)電力間接碳排放。該部分的碳排放不直接來(lái)自園區(qū)內(nèi)發(fā)電所帶來(lái)的碳排放，屬于園區(qū)間接碳排放，根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的碳排放因子進(jìn)行核算。這部分碳排放所需配額成本由園區(qū)承擔(dān)。

1.2 農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)及碳循環(huán)框架

農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)是將冷、熱、電、氣等多種能源組成的綜合能源系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，提高能源利用效率，降低環(huán)境污染的同時(shí)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約化發(fā)展。本文研究的農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)碳循環(huán)，是通過(guò)新能源的減排潛力、溫室作物的光合碳吸收能力，將園區(qū)能源設(shè)備包括熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、沼氣發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的碳排放及購(gòu)電間接碳排放進(jìn)行吸收，實(shí)現(xiàn)園區(qū)碳中和的目標(biāo)。農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)及碳循環(huán)框架如圖2所示。

圖2 農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)及碳循環(huán)框架

具體研究框架為：通過(guò)光照強(qiáng)度、溫度等天氣因素，確定溫室作物凈光合速率，核算吸碳量；通過(guò)光照強(qiáng)度、溫度等天氣因素，確定園區(qū)光伏發(fā)電出力情況，根據(jù)園區(qū)負(fù)荷數(shù)據(jù)計(jì)算光伏消納量，進(jìn)而確定光伏減碳量。在光伏出力為零或光伏出力不足以滿(mǎn)足電負(fù)荷需求時(shí)，根據(jù)農(nóng)業(yè)園區(qū)電、熱負(fù)荷數(shù)據(jù)，確定沼氣機(jī)組、CHP機(jī)組及輔助鍋爐的出力情況，計(jì)算燃?xì)夂牧浚M(jìn)而計(jì)算園區(qū)內(nèi)能源設(shè)備的直接碳排放。在內(nèi)部能源設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足園區(qū)能源需求情況下，從外界獲取能源，如外購(gòu)電力，并將這部分電力等效為園區(qū)的間接碳排放。將四部分碳內(nèi)容分別核算完成后，計(jì)算園區(qū)日碳排放總量。結(jié)果為正則碳排放大于碳減排；為負(fù)則碳排放小于碳減排。通過(guò)分別計(jì)算一年內(nèi)夏季、冬季、過(guò)渡季典型日的日碳排放量，核算園區(qū)年度碳排放。

2 能源設(shè)備及碳模型

農(nóng)業(yè)園區(qū)的能源設(shè)備是園區(qū)電、熱能源的主要來(lái)源，也是園區(qū)碳排放的主要核算目標(biāo)。當(dāng)內(nèi)部能源設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足園區(qū)內(nèi)生產(chǎn)生活需要，則從外界獲取能源。本節(jié)分別介紹了光伏發(fā)電及其碳減排模型、沼氣發(fā)電及其碳排放模型、CHP機(jī)組及其碳排放模型以及電網(wǎng)購(gòu)電碳排放模型。

2.1 光伏發(fā)電碳減排模型

光伏發(fā)電的輸出功率由氣象因素中的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度決定，其輸出功率如式(1)所示[26]。

(1)

式中：PPV為光伏發(fā)電裝置的輸出功率；PNMAX為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下光伏發(fā)電裝置的最大輸出功率；GT為實(shí)際輻照強(qiáng)度；GN為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的輻照強(qiáng)度；α為功率溫度系數(shù)；Tc為實(shí)際光伏發(fā)電裝置溫度；Tr為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光伏發(fā)電裝置溫度。

光伏發(fā)電屬于新能源發(fā)電，其碳排放可以根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2019年度減排項(xiàng)目中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》計(jì)算，如式(2)、(3)所示[27]。

VPV-CO2=PPV×EF

(2)

EF=75%×EFOM+25%×EFBM

(3)

式中：VPV-CO2為光伏發(fā)電減排量；EF為電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子；EFOM為電量邊際排放因子；EFBM為容量邊際排放因子。

2.2 植物光合碳吸收模型

農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)的作物具有固碳作用，其碳匯是吸收?qǐng)@區(qū)內(nèi)CO2的重要形式。將CHP機(jī)組、沼氣發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的CO2送入溫室中供給作物進(jìn)行光合作用，不僅可以促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育還能有效降低發(fā)電帶來(lái)的碳排放污染，對(duì)實(shí)現(xiàn)園區(qū)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)碳中和具有重要意義。本文采用的碳吸收模型如式(4)、(5)所式[28]。

VPS-CO2=(Cin-Cout)·Nex·W·V+LAI·S·qpr

(4)

(5)

式中：qpr為單位葉面積凈光合作用速率；a、b、c、d、e和f是可以通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算的模型參數(shù)；Cin和Cout分別為溫室內(nèi)外的CO2濃度；W為風(fēng)速影響因子；T為溫室溫度；Iin為溫室光照強(qiáng)度；LAI為葉面積指數(shù)；Nex為每秒換氣次數(shù)；V為溫室大棚體積；S為葉面積。

2.3 沼氣發(fā)電及碳排放模型

沼氣發(fā)電機(jī)組是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)可再生能源發(fā)電的重要設(shè)備，對(duì)處理農(nóng)業(yè)廢棄物及供給電能有著重要意義。本文假設(shè)所用沼氣中僅含有CO2和CH4，其中CH4體積分?jǐn)?shù)為60%，CO2體積分?jǐn)?shù)為40%。沼氣發(fā)電功率如式(6)所示[29]。

Pbiogas=Vbiogas×ηbiogas×LHV

(6)

式中：Pbiogas為沼氣發(fā)電功率；Vbiogas為沼氣流量；ηbiogas為沼氣發(fā)電效率；LHV為沼氣熱值，如式(7)所示。

LHV=φCH4×NCV

(7)

式中：φCH4為CH4在沼氣中的體積分?jǐn)?shù)；NCV是天然氣的低位發(fā)熱量。

沼氣發(fā)電的碳排放由沼氣池泄漏甲烷的CO2當(dāng)量，沼氣中的CO2量及甲烷燃燒產(chǎn)生的CO2量構(gòu)成。假設(shè)沼氣泄漏量為5%，沼氣發(fā)電CO2排放量如式(8)—(11)所示[30-31]。

(8)

(9)

(10)

Vbiogas-CO2=V1+V2+V3

(11)

式中：Vbiogas-CO2為沼氣發(fā)電總碳排放量；V1為沼氣池泄漏的甲烷的CO2當(dāng)量；V2為沼氣中的CO2量；V3為甲烷燃燒產(chǎn)生的CO2量；ρ為甲烷的密度；GWPCH4為甲烷氣體相對(duì)于CO2的全球變暖潛力；φCO2為CO2在沼氣中的體積分?jǐn)?shù)；CCCH4為天然氣的單位熱值含碳量；OFCH4為天然氣的碳氧化率。

本文的沼氣發(fā)電僅產(chǎn)生電力，故該機(jī)組屬于純凝機(jī)組，其碳配額如式(12)所示[32]。

Abiogas=Pbiogas×Be×Fr

(12)

式中：Abiogas為沼氣發(fā)電機(jī)組碳配額；Be為機(jī)組所屬類(lèi)別的供電基準(zhǔn)值；Fr為機(jī)組供熱量修正系數(shù)，純凝機(jī)組供熱量修正系數(shù)為1。

2.4 CHP機(jī)組及碳排放模型

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組是農(nóng)業(yè)園區(qū)電能、熱能的重要來(lái)源，通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)、余熱回收裝置及輔助鍋爐的配合實(shí)現(xiàn)發(fā)電產(chǎn)熱同時(shí)進(jìn)行。其發(fā)電功率和產(chǎn)熱功率分別如式(13)、(14)所示[33]：

(13)

(14)

(15)

式中：Pchp(t)為CHP機(jī)組在t時(shí)刻的發(fā)電功率；Qchp(t)為CHP機(jī)組在t時(shí)刻的產(chǎn)熱功率；Pchp,i和Qchp,i分別為CHP機(jī)組在第i個(gè)極限運(yùn)行點(diǎn)的發(fā)電和產(chǎn)熱功率；Pchp,min和Qchp,min分別為CHP機(jī)組的最小發(fā)電功率和最小產(chǎn)熱功率；αi(t)為CHP機(jī)組在t時(shí)刻關(guān)于第i個(gè)極端運(yùn)行點(diǎn)的端點(diǎn)系數(shù)，取值范圍為[0,1]；k為多面體操作區(qū)域運(yùn)行極限點(diǎn)數(shù)量。燃?xì)廨啓C(jī)天然氣耗量如式(16)所示[34]。

(16)

式中：Vchp為汽輪機(jī)的天然氣耗量；ηc為余熱回收效率；ηNG為汽輪機(jī)的綜合熱效率和功率效率；ηP為汽輪機(jī)發(fā)電效率；Qb為輔助鍋爐的產(chǎn)熱功率；ηb為燃?xì)忮仩t熱效率。

根據(jù)《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南 發(fā)電設(shè)施》，發(fā)電設(shè)施CO2排放量等于化石燃料燃燒排放量和機(jī)組使用電力的間接排放量之和。因?yàn)闄C(jī)組使用電量較低這里假設(shè)發(fā)電設(shè)施CO2量等于化石燃料燃燒排放量。本文熱電聯(lián)產(chǎn)原料為天然氣，其燃燒產(chǎn)生的CO2排放量如式(17)—(19)所示[31]。

VCHP-CO2=ADCH4×EFCH4

(17)

ADCH4=Vchp×NCV

(18)

(19)

式中：VCHP-CO2為天然氣燃燒產(chǎn)生的CO2量；ADCH4為天然氣活動(dòng)數(shù)據(jù)；EFCH4為天然氣的CO2排放因子。熱電聯(lián)產(chǎn)燃?xì)鈾C(jī)組的碳配額核算如式(20)—(23)所示[32]。

Achp=AP+AQ

(20)

AP=Pchp×Be×Fr

(21)

Fr=1-0.6×COP

(22)

AQ=(Qchp+Qb)×Bh

(23)

式中：Achp為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的碳配額；AP為機(jī)組供電CO2配額總量；AQ為機(jī)組供熱CO2配額總量；COP為CHP機(jī)組供熱比；Bh為機(jī)組所屬類(lèi)別的供熱基準(zhǔn)值。

2.5 電網(wǎng)碳排放模型

農(nóng)業(yè)園區(qū)外購(gòu)電力所產(chǎn)生的碳排放屬于園區(qū)間接碳排放，碳排放量如式(24)所示[35]。

VCO2-link=EFelec×Elink

(24)

式中：VCO2-link為外購(gòu)電力碳排放量；EFelec為電網(wǎng)碳排放因子；Elink為外購(gòu)電量。

3 園區(qū)儲(chǔ)能模型

儲(chǔ)能設(shè)備是現(xiàn)代化園區(qū)不可或缺的一種能源設(shè)備，其對(duì)園區(qū)用能規(guī)劃調(diào)度具有重要作用。本節(jié)介紹園區(qū)內(nèi)的電儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能模型。

3.1 電儲(chǔ)能模型

工程上，光伏發(fā)電或農(nóng)業(yè)園區(qū)用電均需要配置儲(chǔ)能設(shè)備，并且實(shí)際工程要求光伏發(fā)電配備的電儲(chǔ)能容量不小于光伏裝機(jī)容量的10%。其充放電能模型如式(25)、(26)所示[36]。

充電時(shí)：

(25)

放電時(shí)：

(26)

式中：E(t)為電儲(chǔ)能設(shè)備t時(shí)刻的總能量；α為電儲(chǔ)能設(shè)備自放電率；Pe-charge為電儲(chǔ)能設(shè)備充電功率；Pe-discharge為電儲(chǔ)能設(shè)備放電功率；ηe-charge為電儲(chǔ)能設(shè)備充電效率；ηe-discharge為電儲(chǔ)能設(shè)備放電效率；Se為電儲(chǔ)能設(shè)備總?cè)萘俊?/p>

3.2 熱儲(chǔ)能模型

工程上，農(nóng)業(yè)園區(qū)需要為供暖配置熱儲(chǔ)能設(shè)備，其充放熱能模型如式(27)、(28)所示[36]。

充熱時(shí)：

(27)

放熱時(shí)：

(28)

式中：Q(t)為熱儲(chǔ)能設(shè)備t時(shí)刻的總能量；β為熱儲(chǔ)能設(shè)備自放熱率；Qh-charge為熱儲(chǔ)能設(shè)備充熱功率；Qh-discharge為熱儲(chǔ)能設(shè)備放熱功率；ηh-charge為熱儲(chǔ)能設(shè)備充熱效率；ηh-discharge為熱儲(chǔ)能設(shè)備放熱效率；Sq為熱儲(chǔ)能設(shè)備總?cè)萘俊?/p>

4 溫室負(fù)荷模型

實(shí)際工程中，農(nóng)業(yè)園區(qū)的主要電、熱負(fù)荷來(lái)源為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室。而溫室內(nèi)電、熱負(fù)荷的主要來(lái)源為植物補(bǔ)光裝置及溫室供暖調(diào)溫裝置。本節(jié)對(duì)植物補(bǔ)光模型及溫室供暖模型進(jìn)行介紹。

目前的相關(guān)研究表明，中藥黃芩素的研究?jī)H停留在基礎(chǔ)研究階段，尚未開(kāi)展與臨床相關(guān)的研究。本研究為黃芩素抗腫瘤轉(zhuǎn)移的研究和開(kāi)展臨床試驗(yàn)增添了新的基礎(chǔ)理論依據(jù)，為尋找安全有效的抗癌藥物提供了新的思路。

4.1 植物補(bǔ)光模型

植物補(bǔ)光燈是設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境中的重要調(diào)控設(shè)備，其作用在于當(dāng)自然光的光照不足時(shí)維持植物生長(zhǎng)發(fā)育所需光照強(qiáng)度，以保障植物生長(zhǎng)。本文的補(bǔ)光模型采用單位容量法來(lái)計(jì)算平均照度，其公式如式(29)所示[20]。

(29)

式中：N為補(bǔ)光燈數(shù)量；P為補(bǔ)光燈功率；Sgreenhouse為溫室面積；φ0為單位面積光通量；C1、C2為修正系數(shù)；ηlight為補(bǔ)光燈光電轉(zhuǎn)化效率；Iset為設(shè)定的光照強(qiáng)度；τ為溫室透光率；I為自然光照強(qiáng)度；klight為照度換算系數(shù)，與補(bǔ)光燈種類(lèi)有關(guān)，本文采用的是金屬鹵化物燈，klight=14.4。

4.2 溫室供暖模型

作物生長(zhǎng)需要適宜的溫度，特別是在冬季需要溫室供暖負(fù)荷提供作物生長(zhǎng)適宜的熱環(huán)境，本文采用基于散熱器的溫室采暖熱負(fù)荷模型，如式(30)所示[20]。

Q=KF(Tin-Tout)+ρa(bǔ)irNexV[cpi(Tin-Tout)+hfg(Win-Wout)]

(30)

式中：Q為供熱量；K為溫室單層玻璃傳熱系數(shù)；F為溫室玻璃覆蓋面積；Tin為溫室內(nèi)溫度；Tout為外界環(huán)境溫度；ρa(bǔ)ir為棚內(nèi)空氣密度；cpi為棚內(nèi)空氣定壓比熱容；hfg為T(mén)in溫度下水的汽化潛熱；Win為溫室內(nèi)空氣濕度；Wout為外界環(huán)境空氣濕度。

5 運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度模型

工程上，通過(guò)對(duì)園區(qū)電力、熱力能源進(jìn)行調(diào)度可以?xún)?yōu)化能源供給結(jié)構(gòu)，降低日運(yùn)行成本。本節(jié)將計(jì)及碳交易的園區(qū)日運(yùn)行成本最低作為目標(biāo)函數(shù)，考慮各等式、不等式約束，建立優(yōu)化調(diào)度模型。

5.1 目標(biāo)函數(shù)

本文將成本與碳交易綜合考慮為園區(qū)日總運(yùn)行成本，即將碳排放的經(jīng)濟(jì)性與成本相加構(gòu)成目標(biāo)函數(shù)。工程上，在雙碳背景下園區(qū)需考慮園區(qū)碳排放產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)成本或效益對(duì)園區(qū)運(yùn)行調(diào)度的影響?？紤]碳交易的經(jīng)濟(jì)性可以刺激園區(qū)減少碳排放，對(duì)零碳園區(qū)的落地及碳中和的實(shí)現(xiàn)有重要意義。工程實(shí)際中，本文研究的四部分碳內(nèi)容均可以轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)碳交易，包括CHP機(jī)組及沼氣發(fā)電機(jī)組碳交易、電網(wǎng)購(gòu)電碳交易、光伏碳交易、植物碳匯權(quán)益收益，以下將分別對(duì)四部分碳排放內(nèi)容轉(zhuǎn)換為成本或效益方式進(jìn)行介紹：

1)CHP機(jī)組及沼氣發(fā)電機(jī)部分。根據(jù)國(guó)家生態(tài)環(huán)境部頒發(fā)的《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南 發(fā)電設(shè)施》[31]及《2019—2020年全國(guó)碳排放權(quán)交易配額總量設(shè)定與分配實(shí)施方案》[32],計(jì)算實(shí)際碳排放及碳配額，二者差值若為正即實(shí)際碳排放大于碳配額，則園區(qū)需額外購(gòu)買(mǎi)配額抵消過(guò)多的碳排放。反之，則可以賣(mài)出多余碳配額獲得收益。差值乘以我國(guó)碳交易市場(chǎng)最新成交價(jià)，將碳排放轉(zhuǎn)化為成本或收益。

2)電網(wǎng)購(gòu)電部分。文獻(xiàn)[37]研究了基于用戶(hù)用電負(fù)荷的碳交易模型，將用戶(hù)從電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)電力的間接碳排放轉(zhuǎn)化為實(shí)際碳交易，即園區(qū)承擔(dān)發(fā)電廠企業(yè)碳排放費(fèi)用。本文簡(jiǎn)化這部分計(jì)算，外購(gòu)電力等效碳排放全部由園區(qū)承擔(dān)，將其乘以碳交易價(jià)格，轉(zhuǎn)化為成本。

4)植物碳匯權(quán)益收益。根據(jù)國(guó)家核證自愿減排量[38]及《關(guān)于建立健全生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值實(shí)現(xiàn)機(jī)制的意見(jiàn)》[40]，將植物碳匯通過(guò)碳排放權(quán)交易價(jià)格轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)收益。碳匯權(quán)益授予轉(zhuǎn)化已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際。如浙江安吉農(nóng)商銀行依據(jù)《竹林經(jīng)營(yíng)碳匯項(xiàng)目方法學(xué)》對(duì)報(bào)福鎮(zhèn)統(tǒng)里村楊忠勇承包經(jīng)營(yíng)的共1 030畝毛竹林進(jìn)行減排計(jì)算，得出林地碳匯價(jià)值為37.19萬(wàn)元的結(jié)論[41]。本文按照國(guó)家政策標(biāo)準(zhǔn)，將作物碳吸收量乘以全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)碳排放權(quán)交易價(jià)格轉(zhuǎn)化為園區(qū)植物碳匯收益。

本文目標(biāo)函數(shù)如式(31)所示。

(31)

式中：C為園區(qū)內(nèi)單日總運(yùn)行成本；Plink(t)為t時(shí)刻電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率；Cprice(t)為t時(shí)刻電價(jià)；Uchp(t)為t時(shí)刻CHP機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，其中1表示機(jī)組在t時(shí)刻進(jìn)行了啟動(dòng)，0則表示未啟動(dòng)；Cstart為CHP機(jī)組的啟動(dòng)成本；Cchpcost為機(jī)組的發(fā)電成本；Cchp(t)為機(jī)組的固定成本；Qboiler(t)為燃?xì)忮仩t產(chǎn)熱功率；Cbolier為鍋爐的產(chǎn)熱成本；Cbiogas為沼氣發(fā)電固定成本；Ploadup(t)、Ploaddomn(t)分別為可時(shí)移負(fù)荷的上調(diào)、下調(diào)功率；Cloadcost為負(fù)荷時(shí)移成本；CCO2為碳交易價(jià)格。

5.2 約束條件

5.2.1 等式約束

等式約束中，需要考慮電力平衡約束、負(fù)荷平移約束及熱力平衡約束，分別如式(32)—(34)所示。

Plink(t)+Pchp(t)+Pbiogas(t)+Pdpv(t)+Pdischarge(t)-Pcharge(t)=Pload1(t)+Pload2(t)+Pload2(t)+Ploadup(t)+Ploaddown(t)

(32)

式中:Pdpv(t)為t時(shí)刻消納的光伏；Pbiogas(t)為t時(shí)刻沼氣發(fā)電功率，本文設(shè)定沼氣發(fā)電機(jī)組恒定出力；Pdischarge(t)為t時(shí)刻電儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電功率；Pcharge(t)為t時(shí)刻電儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率；Pload1(t)、Pload2(t)、Pload3(t)分別為t時(shí)刻3個(gè)溫室的電負(fù)荷。

∑Ploadup(i)=∑Ploaddown(j)

(33)

式中：Ploadup(i)為平移到i時(shí)刻的可時(shí)移負(fù)荷量；Ploaddown(j)為原來(lái)在j時(shí)刻的可時(shí)移負(fù)荷量。

Qchp(t)+Qboiler(t)+Qdischarge(t)-Qcharge(t)=Qload1(t)+Qload2(t)+Qload3(t)

(34)

式中：Qchp(t)為t時(shí)刻機(jī)組的產(chǎn)熱功率；Qdischarge(t)為t時(shí)刻熱儲(chǔ)系統(tǒng)的放熱功率；Qcharge(t)為t時(shí)刻熱儲(chǔ)系統(tǒng)的儲(chǔ)熱功率；Qload1、Qload2、Qload3分別為t時(shí)刻3個(gè)溫室的熱負(fù)荷。

5.2.2 不等式約束

不等式約束中需要考慮CHP機(jī)組的爬坡約束、燃?xì)忮仩t的最大功率和爬坡約束、電熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量約束及充放能限制約束、聯(lián)絡(luò)線功率約束、光伏消納約束、可時(shí)移負(fù)荷約束。其中最大功率指鍋爐或電網(wǎng)能提供的功率上限，而實(shí)際功率由負(fù)荷需求決定。

功率最大值約束即要求實(shí)際功率小于等于設(shè)備的發(fā)出功率上限。而產(chǎn)熱量、發(fā)電量為產(chǎn)熱功率、發(fā)電功率與時(shí)間的乘積。本文通過(guò)對(duì)鍋爐及聯(lián)絡(luò)線功率進(jìn)行最大值約束，進(jìn)而對(duì)鍋爐產(chǎn)熱量及聯(lián)絡(luò)線購(gòu)電量進(jìn)行約束。以上約束分別如式(35)—(41)所示。

-RDchp≤Pchp(t+1)-Pchp(t)≤RUchp

(35)

式中：RDchp為CHP機(jī)組的最大向下爬坡功率；RUchp為CHP機(jī)組的最大向上爬坡功率。

(36)

式中：Qmax為燃?xì)忮仩t能提供的最大熱功率；RDboiler為燃?xì)忮仩t的最大向下爬坡功率；RUboiler為燃?xì)忮仩t的最大向上爬坡功率。

(37)

其中：

(38)

式中：Pmax和Qmax分別為最大電、熱儲(chǔ)能系統(tǒng)容量；Se-max和Se-min分別為電儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的最大和最小充電狀態(tài)值；Sh-max和Sh-min分別為熱儲(chǔ)能系統(tǒng)充放熱的最大和最小充熱狀態(tài)值；Pc,max和Pdis,max分別為電儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電最大功率；Qc,max和Qdis,max分別為熱儲(chǔ)能系統(tǒng)充放熱最大功率。

0≤Plink(t)≤Plinkmax

(39)

式中：Plinkmax為聯(lián)絡(luò)線傳輸最大功率。

0≤Edpv(t)≤Epv(t)

(40)

式中：Edpv(t)為t時(shí)刻消納的光伏電量；Epv(t)為t時(shí)刻光伏總發(fā)電量。

(41)

式中：Ploadup-max為可時(shí)移負(fù)荷最大上調(diào)功率；Ploaddown-max為可時(shí)移負(fù)荷最大下調(diào)功率。

6 算例分析

6.1 仿真算例

本文以青島市瑯琊集團(tuán)農(nóng)業(yè)園區(qū)為仿真研究對(duì)象。該農(nóng)業(yè)園區(qū)位于山東省青島市黃島區(qū)泰山路550號(hào)，占地面積266 800 m2。園區(qū)內(nèi)部分能源設(shè)備參數(shù)、碳排放及碳配額核算參數(shù)、當(dāng)?shù)胤謺r(shí)電價(jià)如表1—3所示。

表1 部分能源設(shè)備參數(shù)

表2 碳排放及碳配額核算參數(shù)

表3 青島市分時(shí)電價(jià)

根據(jù)園區(qū)內(nèi)電、熱負(fù)荷數(shù)據(jù)、前文構(gòu)建的能源模型、青島當(dāng)?shù)靥鞖庑畔ⅲ傻玫较闹寥?、冬至日、過(guò)渡季典型日的熱負(fù)荷、電負(fù)荷、光伏功率曲線，如圖3—5所示。其中熱負(fù)荷主要來(lái)源為供暖期供暖，青島地區(qū)供暖時(shí)間為11月16日至次年4月5日。其中過(guò)渡季部分時(shí)間供暖，非供暖時(shí)間園區(qū)無(wú)熱負(fù)荷，調(diào)溫由電負(fù)荷支持；夏季不供暖，無(wú)熱負(fù)荷；冬季這里看作全季供暖，即供暖時(shí)間從11月7日至次年4月5日。電負(fù)荷主要來(lái)源為溫室補(bǔ)光及園區(qū)其他電負(fù)荷。

圖3 夏至日功率曲線

6.2 仿真結(jié)果分析

本文通過(guò)使用Matlab軟件調(diào)用 Yalmip 和 Cplex 程序包對(duì)上述優(yōu)化模型進(jìn)行求解。

圖4 冬至日功率曲線

圖5 過(guò)渡季典型日功率曲線

6.2.1 夏至日仿真分析

夏至日的運(yùn)行優(yōu)化前后結(jié)果如圖6所示。夏季無(wú)需供暖，熱負(fù)荷需求為零。通過(guò)圖6(a)、(b)可以看出，優(yōu)化前08：00—18：00的光伏出力較大，但電負(fù)荷很低，無(wú)法消納更多的光伏電量，導(dǎo)致棄光問(wèn)題嚴(yán)重?？紤]光伏碳減排收益及購(gòu)電間接碳排放成本情況下，購(gòu)電綜合成本遠(yuǎn)大于光伏。通過(guò)負(fù)荷平移進(jìn)行優(yōu)化后，將光伏出力為零時(shí)間段內(nèi)的電負(fù)荷，平移至光伏出力較高的時(shí)間段08：00—18：00內(nèi)，促進(jìn)光伏消納，提高光伏碳減排收益，減少購(gòu)電量，降低間接碳排放成本。并且通過(guò)合理匹配電儲(chǔ)能系統(tǒng)，將光伏出力較大以至于無(wú)法消納的時(shí)間段11：00—15：00的電能儲(chǔ)存，供給電價(jià)較高且光伏出力為零的時(shí)間段19：00—22：00使用。

圖6 夏至日優(yōu)化前后結(jié)果

夏至日碳排放量?jī)?yōu)化結(jié)果對(duì)比如表4所示?？梢钥闯觯募疽驘嶝?fù)荷為零，CHP機(jī)組及輔助鍋爐停運(yùn)，碳排放來(lái)源僅為沼氣發(fā)電及購(gòu)電。其中沼氣發(fā)電為恒定出力，碳排放恒定無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化，故優(yōu)化前后無(wú)差別；碳減排來(lái)源主要為光伏碳減排及植物光合碳吸收。植物光和吸收與光照強(qiáng)度有關(guān)，補(bǔ)光負(fù)荷為不可時(shí)移負(fù)荷，故光照強(qiáng)度恒定，光合碳吸收量?jī)?yōu)化前后無(wú)差別。由于光伏碳減排量根據(jù)光伏消納量進(jìn)行核算，通過(guò)負(fù)荷平移優(yōu)化使得光伏消納量增加，購(gòu)電量降低，進(jìn)而增加光伏碳減排量，降低購(gòu)電帶來(lái)的間接碳排放，實(shí)現(xiàn)園區(qū)碳減排。

表4 夏至日碳排放量?jī)?yōu)化結(jié)果對(duì)比

表5為夏至日運(yùn)行成本優(yōu)化結(jié)果對(duì)比。優(yōu)化前，園區(qū)日運(yùn)行成本主要包括CHP固定成本、沼氣發(fā)電固定成本、購(gòu)電成本、沼氣碳排放成本、購(gòu)電碳排放成本、光伏碳減排成本及光合碳吸收成本。其中CHP固定成本、沼氣發(fā)電固定成本為CHP機(jī)組、沼氣發(fā)電機(jī)組日常運(yùn)維成本，無(wú)論發(fā)電量大小，為固定值。購(gòu)電成本由外購(gòu)電量與分時(shí)電價(jià)計(jì)算可得，為園區(qū)夏至日運(yùn)行成本主要來(lái)源。沼氣碳排放成本是由于沼氣機(jī)組碳排放量大于其碳配額需購(gòu)買(mǎi)額外碳配額，以抵消其碳排放量引起的。購(gòu)電碳排放成本為購(gòu)電間接碳排放的碳交易成本；光伏碳減排成本為光伏減排對(duì)應(yīng)的碳減排收益；光合碳吸收成本為作物碳匯帶來(lái)的碳減排收益。優(yōu)化前購(gòu)電量較高、光伏消納率低導(dǎo)致購(gòu)電及購(gòu)電間接碳排放成本較高，光伏碳減排收益較低。通過(guò)負(fù)荷平移優(yōu)化，提高了光伏消納量，降低購(gòu)電量，從而提高光伏碳減排收益，降低購(gòu)電及購(gòu)電碳排放成本，使園區(qū)日運(yùn)行成本降低3 488.53元。

表5 夏至日運(yùn)行成本優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

6.2.2 冬至日仿真分析

冬至日的運(yùn)行優(yōu)化前后結(jié)果如圖7所示。冬季氣溫低，且處于供暖季，熱負(fù)荷較大，CHP機(jī)組及輔助鍋爐啟動(dòng)。由于CHP機(jī)組的電熱出力具有相關(guān)性，這里先分析電力平衡情況。圖7(c)、(d)為冬至日優(yōu)化前、后電力平衡曲線。通過(guò)對(duì)比可以看出，同時(shí)考慮CHP機(jī)組及輔助鍋爐碳交易、光伏碳減排收益、分時(shí)電價(jià)及其間接碳排放成本情況下，優(yōu)化后，在00：00—06：00，CHP機(jī)組發(fā)電綜合成本高于分時(shí)電價(jià)，故盡量外購(gòu)電力，減少CHP機(jī)組電出力，降低運(yùn)行成本；在17：00—22：00，CHP機(jī)組發(fā)電綜合成本低于分時(shí)電價(jià)，減少購(gòu)入電力，增加CHP機(jī)組電出力，降低運(yùn)行成本。并且通過(guò)負(fù)荷平移增加光伏消納，降低購(gòu)電成本及購(gòu)電帶來(lái)的間接碳排放成本，提高光伏碳減排收益，進(jìn)一步降低園區(qū)運(yùn)行成本。

圖7 冬至日優(yōu)化前后結(jié)果

通過(guò)圖7(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前主要由CHP機(jī)組為園區(qū)提供熱量。優(yōu)化后，時(shí)間段00：00—06：00內(nèi)CHP熱出力下降，輔助鍋爐熱出力上升；時(shí)間段17：00—22：00內(nèi)CHP熱出力上升，輔助鍋爐熱出力下降。

冬至日碳排放量?jī)?yōu)化結(jié)果對(duì)比如表6所示。可以看出，碳排放主要來(lái)源為沼氣發(fā)電、CHP機(jī)組燃?xì)?、鍋爐燃?xì)饧巴赓?gòu)電力的間接碳排放。碳減排的主要來(lái)源為光伏及植物光和吸收。其中沼氣發(fā)電碳排放、光合碳吸收無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后，CHP機(jī)組及輔助鍋爐燃?xì)猱a(chǎn)生的CO2總量降低，購(gòu)電碳排放降低，光伏發(fā)電碳減排量增加，實(shí)現(xiàn)園區(qū)碳減排。

表6 冬至日碳排放量?jī)?yōu)化結(jié)果對(duì)比

表7為冬至日運(yùn)行成本優(yōu)化結(jié)果對(duì)比。冬至日?qǐng)@區(qū)熱負(fù)荷需求大，CHP機(jī)組及輔助鍋爐啟動(dòng)，園區(qū)日運(yùn)行成本比夏至日運(yùn)行成本多出鍋爐運(yùn)行成本、CHP運(yùn)行成本、CHP啟停成本、CHP及鍋爐碳排放成本四部分。其中鍋爐運(yùn)行成本及CHP運(yùn)行成本為輔助鍋爐及CHP機(jī)組發(fā)電1 kW·h、產(chǎn)熱1 kJ所對(duì)應(yīng)的支出，包括操作、燃料等成本；CHP啟停成本為CHP機(jī)組啟停狀態(tài)切換時(shí)因機(jī)組剎車(chē)或預(yù)熱所需額外成本；CHP及鍋爐碳排放成本為碳排放量大于其碳配額需購(gòu)買(mǎi)額外碳配額，以抵消其碳排放量。通過(guò)負(fù)荷平移優(yōu)化，提高了光伏消納量，降低CHP發(fā)電量及購(gòu)電量，由輔助鍋爐補(bǔ)充因CHP發(fā)電量減少而減少的產(chǎn)熱量。因此優(yōu)化后雖然鍋爐運(yùn)行成本略有增加并增加了負(fù)荷平移成本，但CHP運(yùn)行成本、購(gòu)電及購(gòu)電間接碳排放成本、CHP及碳排放成本均有降低且光伏碳減排收益增加，使園區(qū)日運(yùn)行成本降低7 591.58元。

表7 冬至日運(yùn)行成本優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

6.2.3 過(guò)渡季典型日仿真分析

過(guò)渡季典型日的運(yùn)行優(yōu)化前后結(jié)果如圖8所示。該典型日處于過(guò)渡季供暖期，故存在供暖熱負(fù)荷。圖8(a)為過(guò)渡季供暖期優(yōu)化前(后)熱力平衡的結(jié)果,由于過(guò)渡季典型日氣溫比冬至日氣溫高，溫室調(diào)溫所需熱負(fù)荷較低，僅需開(kāi)啟輔助鍋爐便可滿(mǎn)足基本供暖需求。此時(shí)熱負(fù)荷僅由輔助鍋爐提供，故優(yōu)化前后并無(wú)差別。

圖8(b)、(c)為優(yōu)化前、后電力平衡的結(jié)果。考慮光伏碳減排收益及購(gòu)電間接碳排放成本情況下，通過(guò)負(fù)荷平移優(yōu)化，將電價(jià)較高時(shí)間段18：00—22：00內(nèi)的電負(fù)荷，平移至光伏出力較高的時(shí)間段08：00—17：00內(nèi)，增加光伏消納量，提高光伏碳減排收益，減少購(gòu)電量，降低間接碳排放成本。過(guò)渡季典型日碳排放量?jī)?yōu)化結(jié)果對(duì)比如表8所示?？梢钥闯觯寂欧胖饕獊?lái)源為沼氣發(fā)電、鍋爐燃?xì)饧巴赓?gòu)電力的間接碳排放。碳減排的主要來(lái)源為光伏及植物光合吸收。其中熱負(fù)荷只由鍋爐提供，為滿(mǎn)足熱力平衡，鍋爐出力無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化。負(fù)荷平移增加光伏的消納率，光伏碳減排量增加。光伏消納率增加導(dǎo)致購(gòu)入電力量減小，購(gòu)入電力的間接碳排放量降低，總碳排放量降低。

表8 過(guò)渡季典型日碳排放量?jī)?yōu)化結(jié)果對(duì)比

圖8 過(guò)渡季典型日優(yōu)化前后結(jié)果

表9為過(guò)渡季典型日運(yùn)行成本優(yōu)化結(jié)果對(duì)比。因過(guò)渡季供暖期氣溫較高，輔助鍋爐即可滿(mǎn)足熱負(fù)荷需求，CHP機(jī)組停運(yùn)。因此，過(guò)渡季典型日的CHP機(jī)組的運(yùn)行及啟停成本為零。優(yōu)化前后的成本變化情況與夏至日基本相似。通過(guò)負(fù)荷平移優(yōu)化，提高光伏碳減排收益，降低購(gòu)電及購(gòu)電碳排放成本，使園區(qū)日運(yùn)行成本降低4 660.48元。

表9 過(guò)渡季典型日運(yùn)行成本優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

6.2.4 全年碳排放分析

根據(jù)對(duì)夏至日、冬至日、過(guò)渡季典型日的碳排放計(jì)算結(jié)果，對(duì)園區(qū)全年碳排放量進(jìn)行分析。這里假設(shè)夏至日、冬至日、過(guò)渡季典型日可代表夏季、冬季、過(guò)渡季全季碳排放數(shù)據(jù)，即全季每日碳排放量為該季節(jié)典型日碳排放量。根據(jù)季節(jié)時(shí)間劃分即青島市供暖時(shí)間，過(guò)渡季分為供暖期與非供暖期，非供暖期無(wú)熱負(fù)荷，CHP機(jī)組及輔助鍋爐停運(yùn)，碳排放量為零。園區(qū)全年碳排放總量分析如表10所示。夏季、過(guò)渡季非供暖期因無(wú)熱負(fù)荷需求，作為園區(qū)碳排放主要來(lái)源的CHP機(jī)組及輔助鍋爐停運(yùn)，日排放量呈現(xiàn)負(fù)值，即減排量大于排放量；過(guò)渡季供暖期熱負(fù)荷需求低，CHP機(jī)組停運(yùn), 日排放量同樣呈現(xiàn)負(fù)值。冬季氣溫低，熱負(fù)荷需求大，CHP機(jī)組及輔助鍋爐運(yùn)行，碳排放較高。日排放量為正值，即排放量大于減排量。根據(jù)季節(jié)天數(shù)，可計(jì)算求得園區(qū)全年碳排放總量為-755.940 1 t。

表10 園區(qū)全年碳排放總量分析

仿真結(jié)果的每一部分碳排放計(jì)算結(jié)果均通過(guò)工程實(shí)際及其他文獻(xiàn)內(nèi)容進(jìn)行逐一驗(yàn)證，日碳排放量數(shù)量級(jí)吻合。因此，本文所建立的碳排放核算模型正確。文獻(xiàn)[42]中的數(shù)據(jù)顯示，東灘低碳農(nóng)業(yè)園區(qū)面積約2×106m2，耕地面積約1.667×106m2，其年碳排放量為-3 623.99 t。本文研究的青島瑯琊集團(tuán)農(nóng)業(yè)園區(qū)占地面積為2.668×105m2。同等面積下東灘低碳農(nóng)業(yè)園區(qū)碳排放為-480.20 t。鑒于該園區(qū)未考慮新能源帶來(lái)的碳減排效益，粗略來(lái)看年碳排放量基本吻合，故仿真計(jì)算結(jié)果正確。因此，本文所研究的農(nóng)業(yè)園區(qū)可實(shí)現(xiàn)零碳運(yùn)行，呈現(xiàn)碳中和。

7 結(jié) 論

本文提出了面向農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)碳循環(huán)的核算方法，構(gòu)建了能源設(shè)備及碳排放模型，并以計(jì)及農(nóng)業(yè)柔性負(fù)荷及碳交易的園區(qū)日運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)園區(qū)用能進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。仿真結(jié)果顯示，所使用的優(yōu)化調(diào)度策略能明顯降低園區(qū)日運(yùn)行成本及CO2日排放量，實(shí)現(xiàn)全年園區(qū)碳中和。這對(duì)農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的落地，農(nóng)業(yè)零碳園區(qū)的建設(shè)具有指導(dǎo)作用。

后續(xù)本文將繼續(xù)深化研究“雙碳”目標(biāo)下，以農(nóng)業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)為目標(biāo)的碳潮流計(jì)算，并充分考慮能源傳輸、能源消納過(guò)程中碳的間接排放量。具體內(nèi)容包括碳捕集裝置建模、土壤碳匯建模、能源傳輸網(wǎng)絡(luò)中的碳潮流計(jì)算等。