含分布式光储系统的农灌园区的用电策略优化

本文亮点：1、考虑新场景中农灌负荷的间歇性和可调性，引入需求响应机制，使农灌园区能够在电价高峰时段自愿减少耗电，通过经济激励机制和参与电力市场，优化用电计划并获得额外收益。 2、研究光储系统与传统电网的互动，通过合理配置可再生能源（如光伏）和传统能源，确保在需求波动时的电力供应可靠性与经济性。

摘 要 农业灌溉在农业生产中至关重要，但传统灌溉系统普遍存在能耗高、效率低等问题。为解决这一难题，本工作将分布式光-储系统作为清洁能源方案引入农业灌溉领域，重点探讨其用电优化策略。面向黑龙江等地区典型农灌负荷的用电需求，构建了涵盖多类用电设备及间歇性负荷特性的用电模型；结合灌溉周期内负荷的间歇性与可调节特性，建立负荷转移与中断运行模型；基于光-储系统发电特性，形成系统出力模型，并以园区用电成本最小化为目标，构建分时电价下的用电优化模型。通过夏季灌溉场景的仿真验证，本工作策略较传统方法用电成本降低41.2%，证实了光-储系统在农灌领域的经济效益。

关键词 农灌园区；间歇性负荷；光-储系统；用电优化；负荷转移

近年来，随着我国农业现代化进程的不断推进和农业生产规模的持续扩大，农灌园区对电能的需求量呈现出持续增长的趋势。然而，传统的农灌用电方式在满足日益增长的用电需求方面存在着诸多不足。首先，由于农业方面的特殊运行要求，导致负荷呈现有规律的、具有较大峰谷差的间歇性负荷，间歇性负荷具有周期性或非周期性，峰值出力高出谷值出力几倍甚至十几倍等，传统的电力供应方式往往无法满足其稳定、高效的用电需求，导致了用电成本居高不下。其次，随着风电、光伏等分布式电源在配网末端的大量接入，其波动性、间歇性以及和农配网负荷时间上的不匹配导致分布式光伏接入点电压升高，改变潮流分布，甚至出现功率倒送，对设备及电网安全都造成影响，农灌园区对电能的需求质量和可靠性提出了更高的要求，而传统的电力供应体系往往无法满足其对电能供应的时效性和可控性需求。

光伏发电和储能技术的发展和应用为优化用电策略、提升用电主体的经济性提供了手段。目前，已有学者对在分布式光伏和储能发展应用经济性分析方面开展研究。文献针对当前国内分布式光伏的发展政策和储能技术的发展状况进行了分析，对分布式光-储系统的经济性进行了评估，提出了分布式光-储系统的结构和运行方式，分析总结了光伏系统和储能成本、电价分布以及负荷特性是影响用户选择安装光-储系统的重要因素。文献对含光伏的微网经济性进行了研究，结果显示，在一定范围内，储能系统的引入有效提高了系统的经济性和环境效益，微网的运行收益随着上网电价和光伏容量的增长而增加，但由于光伏及储能成本较高，过多的光伏及储能接入可能导致经济性下降。在分布式光伏和储能系统配置方面，文献提出了基于二元粒子群优化(binary particle swarm optimization，BPSO)储能配置方案，旨在通过在电力系统中配置储能装置来减少损耗，结果表明，BPSO和储能系统的使用有效融合可以有效实现针对光伏分布式发电和储能优化的配电网配置，从而改造现有电力系统。文献提出了一种分布式光储系统联合优化调度方法，以最小化有功功率波动方差为目标，对储能模组的充放电功率进行优化，基于光伏出力预测提出实时调度策略，提升分布式光-储系统并网的有序性，有助于平抑电网负荷波动以及调节负荷峰谷差。

在农村电网和农灌领域方面，文献提出了一种整合了抽水蓄能、灌溉系统和风力发电的农业微电网，采用两点估计方法对风力发电和电价的不确定性进行建模，并以最小化农业微电网运营成本为目标，利用随机协调框架进行农业微电网用电优化。文献构建了一种新的协调框架，旨在优化农业微电网中抽水蓄能机组、灌溉系统和间歇性风力发电的联合运行。文献提出在农村离网微电网环境中使用级联控制抽象来实现价格优化，所提方法基于分布式市场控制，使用多智能体交易原理来引导自动需求响应，凭借其基于市场的交易推理方法，能够满足农村能源系统的多种运行要求并降低用电成本。文献在构建光伏和蓄电池的数学模型基础上，针对智能小区对蓄电池的效用需求，构建了单元楼蓄电池的工作模型，并对蓄电池的运行特性进行了研究，考虑小区内不同家庭负荷、蓄电池和光伏电源，提出了智能小区能量管理系统的总体架构。

进一步地，分布式光-储系统的引入为提升农灌园区用电经济性和可控性提供了一种有效手段，分布式光-储系统能够实现智能化控制，根据灌溉需求实时调整灌溉系统，提高灌溉水资源利用效率，保证农作物的生长需求，从而提高农业生产效率和质量。目前国内外在农灌园区设备建模和用电管理方面研究主要集中在传统的农业灌溉中，农灌用水的不稳定性既会给配电网造成负荷波动等安全问题，也会增加农灌园区的用电成本，农灌负荷由于在短时间灌溉期内用电需求较大的特征，对面向农灌作业的农业电网电力保障提出了一定的挑战。在此背景下，文献对比了固定农灌用电与可调农灌用电对配电网造成的影响，突出农灌负荷的可调特性，为后续通过有序灌溉需求响应来主动参与配电网调控提供了一定的可能。文献分析了配电网分时电价对农业电排灌用电特性及其对配电网运行优化的积极影响。由此可见,配电网实行不同的电价策略能够有效影响农户进行农灌时的用能行为，通过分时电价引导农灌园区有序灌溉对配电网运行安全有较大的研究价值。文献提出配电网-农灌园区双层互动协调优化模型，考虑机井约束、蓄水池约束、地下水约束、光伏出力等不同的约束条件，计算用电最优化策略，通过双方互动迭代实现灌溉的有序调控和协调优化，实现农灌园区与配电网的双方共赢。文献基于遗传算法计算了考虑分时电价的电排灌泵站在各时段开启的最优机组数和运行工况。

基于上述研究分析，本工作旨在进一步探索农灌负荷的可调性以及含光-储系统对农灌园区的经济性上的积极影响，并制订面向含分布式光-储系统的农灌园区的用电优化策略，考虑到分布式光伏的利用太阳能发电特性以应对白天灌溉用电需求、储能系统的灵活充放电特性以应对夜间及电价较高时段的灌溉用电需求，根据农灌园区用电特征及其时间调节特性，优化园区在各时段的用电策略，在最小化园区用电成本的同时保障园区负荷供需平衡。

1 园区用电负荷建模及特性分析

1.1 农灌用电设备建模

农灌园区用电设备建模是优化能源管理的基础，需综合考虑设备运行特性、灌溉需求与外部环境因素的动态耦合。本节针对水泵、灌溉系统及空调三类核心用电设备，建立精细化数学模型，量化其功率需求与能耗特征，为后续用电优化提供数据支撑。

1.1.1 水泵用电