基于风光互补的连栋温室新型供电系统设计与试验_罗冬.pdf

null null null null 年 null 月 农 业 机 械 学 报 第 nullnull 卷 第 nullnull 期 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基于风光互补的连栋温室新型供电系统设计与试验 罗 冬 null 康 大 磊 null 刘 继 凯 null 王 冰 雪 null 禇 银 枝 null 左 强 null nullnull 北京市农林科学院 北 京 nullnullnullnullnullnull nullnull 北京众博熙泰农业科技有限公司 北京 nullnullnullnullnullnull nullnull 北京南郊农业生产经营管理有限公司 北京 nullnullnullnullnullnull 摘要 针对北京南郊某 nullnull nullnullnull null null 连 栋 温室 nullnullnull nullnull 级负荷的高可靠 低能耗供电需求 提出一种基于风光互补发 电 磷酸铁锂电池储能及分布式能源智能控制的新型供电系统 通过负荷 null 资源耦合建模 关键部件优化选型 分 层协同控制策略设计及全工况试验验证 构建了 发 null 储 null 调 null 荷 一体化供电系统 系统集成 nullnullnull nullnull null 单 晶 硅光 伏组件 nullnull nullnull 水平轴风力发电机组及 nullnullnull nullnull null 磷酸铁锂电池储能单元 采用改进型扰动观察法最大功率点跟踪 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 控制余荷电状态 nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull 自适应平衡算法实现多能源动态调度 试验结果表明 系统年发电量达 nullnullnull nullnullnull nullnull null 供电可靠性 nullnullnull nullnullnull 弃风弃光率 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnull 充放电效 率 nullnullnull nullnull 响应时间 nullnull nullnull null 与传统市电供电相比 年降低能耗成本 nullnullnull nullnull 减少 nullnull null 碳 排 放 nullnullnull null 投资回收期为 nullnull null 年 通过参数敏感性与多场景适应性分析 形成了适用于不同气候区域与温室规模的适配方案 完善了系统设 计理论与工程应用体系 为规模化设施农业绿色低碳供电提供技术支撑 关键词 连栋温室 风光互补发电 负荷 null 资源耦合 多层协同控制 自适应平衡算法 中图分类号 nullnullnullnull nullnullnullnullnull 文献标识码 null 文章编号 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull OSID 收 稿 日期 nullnull nullnull nullnull 修回日期 nullnull nullnull nullnull 基金项目 北京市乡村振兴农业科技项目 nullnullnullnullnullnullnull 和北京市农林科学院科普项目 nullnullnullnullnullnullnull 作者简介 罗冬 nullnull null 男 工程师 主要从事电力工程及其自动化技术研究 nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull 通信作者 左强 nullnull null 男 副研究员 主要从事设施农业技术研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull Design and Experiment of Power Supply System for Multi span Greenhouses Based on Wind Solar Complementarity nullnullnull nullnullnull null nullnullnullnull nullnullnull null nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnull null null Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences Beijing nullnullnullnullnullnull China null Beijing Zhongboxitai Agricultural Technology Co Ltd Beijing nullnullnullnullnullnull China null Beijing Southern Suburb Agricultural Production Operation and Management Co Ltd Beijing nullnullnullnullnullnull China Abstract nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull null nullnull null nullnullnull nullnull null null nullnull null null nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnull nullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnullnull nullnullnull null nullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null null nullnullnullnullnull null nullnullnullnull null null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnull null nullnullnullnullnullnull nullnull null null nullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null null null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnull null null nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnullnull null nullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull null nullnull nullnullnull nullnull nullnull null null null nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull null nullnull null null nullnullnullnull nullnullnull nullnull null null nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnull null nullnullnullnull null nullnull nullnull nullnull null nullnullnullnull nullnullnullnull null null null nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnull nullnull nullnull null nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnull nullnull nullnull nullnull null nullnullnullnull null nullnullnullnullnull null nullnull null nullnull nullnull null nullnullnullnull nullnullnullnull null null null nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnull null nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull null nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null Key words nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 0 引 言 连栋温室是我国设施农业现代化转型的核心载 体 null 其 环 境控制的精准性与可靠性直接关系到作 物产量与品质 据 中国设施农业发展报告 nullnull 统计 我国现有连栋温室总面积已突破 null null null null null null null null 随 着 物联网 nullnull null智能传感与自动执 行装备在温室中广泛应用 温室正朝着高度智能化 方向发展 然而 温室普遍采用传统工频交流 nullnull nullnullnullnullnullnullnull 供电模式 存在明显弊端 null电网 波动导致供电可靠性不足 年平均停电时间达 null null null null 造成作物减产损失率超 nullnull null能耗占生产成 本的 null null null null 且市电价格年均上涨 nullnull null nullnull 市 电 nullnull null 碳排放强度约为 null null nullnull null null 双碳 背 景下 null 持续挤压农业生 产 利润 null化石 能源发电带来的碳排放强度与产业绿色转型要求存 在显著差距 单一新能源供电系统难以满足温室连续供电需 求 光伏系统受昼夜交替 天气变化影响 输出功率 波动系数达 null nullnull null 风 力 发电系统存在风速 随机性强 低风速时段发电效率低等问题 null 分 布 式能源智能控 制技术的融合发展 为解决设施农业 能源供应矛盾提供了新路径 风光互补结合储能的 供电模式可通过能量时空互补 实现供电稳定性与 能源利用效率的协同提升 国外在设施农业新能源供电领域起步较早 欧 盟 农业绿色新政 支持下 荷兰等已实现 null 以上 连栋温室采用风光互补供电模式 荷兰瓦赫宁根大 学 nullnullnullnullnullnull 等 null 开 发 光伏温室一体化系统 将光伏 组件与温室集成设计 光电转换效率达 nullnull nullnull 同 时满足作物光照需求 但国外系统存在适配性不足 问题 设计参数基于当地气象条件 难以应用于我国 不同气候区域 国内相关研究近年来快速发展 苗 风东等 null 设 计 了一种智能光伏温室大棚系统 将光 伏 智能控制技术以及网络化控制技术应用于农业 温室 提高了农业温室生产技术的自动化 网络化及 智能化水平 王勇等 null 提出了一种基于风光互补 储能系统的微网优化及电能质量提升方法 刘 苑 红 等 nullnull 提出 了考虑农业设施负荷特性的农村配电网 与储能分布鲁棒协同优化规划方法 但未涉及储能 与智能控制的协同设计 国内外相关研究已取得一定进展 但仍存在适 配性不足 协同设计缺失等问题 现有研究多能源协 同建模不够精准 控制策略缺乏自适应能力且试验 验证不够全面 难以满足复杂工况下供电需求 本 文针对 null nullnull null null 连栋温室的实际负荷特性 设 计 一 套集成光伏发电 小型风力发电 锂电池储能及分布 式能源智能控制的新型供电系统 通过理论建模 部件优化选型 控制策略改进及全工况试验验证 以 期实现多能源协同调度 功率波动平抑 高可靠供 电 建立一套可推广的设施农业新能源供电系统设 计方法与评价体系 推动设施农业能源结构升级 降 低碳排放 提升生产效益 1 系 统 总体设计 1 1 设计目标与约束条件 1 1 1 设 计 目标 针对北京南郊某 null nullnull null null 连 栋 温室 额定功率 nullnull null 设计系统需满足以下目标 null供电性能 年 供电量 nullnullnull nullnull null null 供电可靠性 nullnull 电压偏 差 nullnullnullnull 频率偏差 null nullnull null nullnull null能源利用 风 光互补系统利用率 nullnull 弃风弃光率 nullnullnull 系统 总效率 nullnull null储能性能 储能系统响应时间 nullnull null null 充放电效率 nullnull null 控制精度 null nullnull 循环寿命 nullnull nullnull 次 null控制性能 支持离网 null并网双 模运行 实现多能源协同调度 响应时间 nullnull null null经济性 投资回收期 nullnull 年 null 年生命周期总成本 低于传统市电供电模式 1 1 2 约束条件 null空间约束 连栋温室屋面光伏组件可安装面 积 null nullnull null null 风力发电机组安装高度不低于 null null null环 境 约束 工作温度范围 nullnull nullnull 相对湿度 null null 防护等级 nullnullnullnull null政策约束 符合国家电网 并网技术标准 nullnullnullnull nullnullnull nullnull 碳排放强度 null null null nullnull null null null 1 2 系统架构与工作原理 1 2 1 系统架构 新型供电系统具有清洁低碳 源网荷储协同 分布式布局 智能调控等技术特点 nullnull 系 统 采用 风光互补 null 磷酸铁锂电池储能 null 分布式能源智 能控制 的总体架构 nullnull 如 图 null 所 示 由 null 部分组 成 null光伏发电子系统 部署于连栋温室屋顶 由 单晶硅光伏组件 汇流箱 光伏逆变器构成 null小 型风力发电子系统 由水平轴风力发电机 整流 器 控制器组成 null锂电池储能子系统 采用磷酸 铁锂电池组 配置电池组管理系统 nullnullnull 与双向 逆变器 null分布式能源智能控制系统 集成可编 程逻辑控制器 nullnullnull null环境与电气传感器 数据采 集与监控系统 nullnullnullnullnull null能量管理系统 nullnullnull null null市电辅助单元 作为备用电源 在新能源供电不 足时自动切换 null负载单元 含关键负荷可调控 负荷 按优先级供电 nullnullnull第 nullnull 期 罗 冬 等 基于风光互补的连栋温室新型供电系统设计与试验 图 null 连栋温室新型供电系统架构图 nullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 1 2 2 工 作 原理 光伏与风力发电子系统并联接入直流母线 通 过 nullnullnullnullnull 转换器稳定电压 锂电池储能子系统通过 双向 nullnullnullnullnull 转换器接入母线 发电盈余时存储电 能 发电不足时释放电能 平抑风光互补发电功率 波动 分布式能源智能控制系统实时监测母线电压 负荷功率及储能系统荷电状态 null 依托控制算 法动态调节各子系统输出功率 当风光发电功率充 足且高于负荷需求时 多余电能优先存储于锂电池 储能子系统 余量馈入市电电网 当风光发电不足 时 储能系统自动放电补充负荷缺口 若储能子系统 放电后仍无法满足负荷需求 则自动切入市电供电 确保连栋温室用电负荷稳定可靠供应 nullnull 1 3 主 要 技术参数 连栋温室所在地 北纬 nullnull 东经 nullnullnull 的气象 数据 年平均日照 null nullnull null 年平均风速 null null nullnullnull 来 源于 nullnull nullnull 年中国气象局北京南郊气象观测 站观测统计数据 nullnull 结 合 nullnull null 负荷需求 确定系 统主要设计参数 2 关 键 部件参数 2 1 光伏发电子系统 2 1 1 光 伏 组件选型 根据温室可用面积 约 null nullnull null null 及 日 照条件 选用单晶硅光伏组件 null null nullnullnull 型 关键参数如 表 null 所示 采用固定式安装 当地最佳安装倾角 nullnull 方位 角正南 组件串联 null 块 null组 并联 null 组 总安装组件 nullnull 块 总安装容量 nullnull null null 2 1 2 光伏发电子系统结构 系 统 采用组件 null 汇流箱 null 逆变器 null 交流配电柜 结 构 每 nullnull组光伏组件配置 null台交流配电柜 null台汇 表 1 单晶硅光伏组件关键参数 Tab 1 Key parameters of monocrystalline silicon photovoltaic modules 参 数 数 值 峰值功率 nullnull nullnull 开 路 电压 nullnull nullnull null 短路电流 nullnull nullnull null 最大工作电压 nullnull nullnull null 最大工作电流 nullnull nullnull null 组件尺寸 null nullnull null nullnull null nullnull null nullnull nullnullnull nullnull 转换效率 nullnull nullnull null 温度系数 null null null nullnull nullnull null 流 箱 nullnull nullnull 型 和 null 台 null null 光伏逆变器 nullnull null nullnull 型 实现直流电能向交流电能的转换 逆变器 效率 nullnullnull nullnull 光伏发电系统结构如图 null 所示 图 null 光伏发电系统结构 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 2 1 3 光伏发电功率计算 光 伏组件实际输出功率受太阳辐照度 环 境温 度影响 nullnull 计 算 式为 P nullnull null P nullnullnull G G nullnullnull null null K t T c null T nullnullnull null 式 中 P nullnull nullnullnull光伏组件实际输出功率 null P nullnullnull nullnullnull标准测试条件下组件峰值功率 null Gnullnullnull实际太阳辐照度 nullnullnull G nullnullnull nullnullnull标准测试条件下太阳 辐照度 取 null nullnull nullnullnull null K t nullnullnull温度 系数 取 nullnull null null T c nullnullnull组件 实际温度 null T nullnullnull nullnullnull标准测试条件下组件温度 取 null 系统总光伏发电量计算式为 E nullnull null P nullnull nullnullnull Hnull nullnull null nullnullnull null 式 中 E nullnull nullnullnull年光 伏发电量 null null P nullnull nullnull nullnullnull光伏系统总安装容量 取 nullnullnull nullnull null Hnullnullnull年平均日照时数 取 null nullnull null nullnullnull 农 业 机 械 学 报 null null null null 年 null nullnullnull nullnullnull光伏逆变器转换效率 取 null nullnull null nullnull nullnullnull光伏组件衰减系数 取 null null 光伏系数基于组件厂家提供的 null 年衰 减曲线 取运行第 null nullnull 年平均衰减水平 衰减模型符合 nullnullnull null nullnullnull null nullnull 电工电子产品环境试验 第 null 部 分 试验方法 试验 null 高温 规定 nullnull 代 入 数据并结合式 null 的环境影响修正 计算 得 E nullnull 为 nullnull nullnull null null 考 虑 实际遮挡与损耗 含光伏组件损耗为 nullnull nullnull 逆 变 器 损 耗 为 nullnull nullnull 储能转换损耗为 nullnull nullnull 等 合计损耗为 nullnullnull 最终实际年供电量为 nullnullnull nullnullnull nullnull null 2 2 小型风力发电子系统 2 2 1 风力发电机组选型 当地年平均风速为 null null nullnullnull 选用 null 台 null null 水 平轴小型风力发电机组 nullnull null null 型 总安装容量 null null 关键参数如表 null 所示 表 2 小型风力发电机组关键参数 Tab 2 Key parameters of small scale wind turbines 参 数 数 值 额定功率 nullnull null 启 动 风速 null null null nullnull null null 额 定 风速 null null null nullnull null 切出 风速 null null null nullnull null 额 定 转速 null null nullnullnull nullnull nullnull 输 出 电压 nullnull nullnull 风能利用系数 null null 防护等级 nullnullnull 2 2 2 风力发电子系统结构 系 统 采用风机 null 整流器 null 控制器 null 逆变器结 构 输出交流电经整流器转换为直流电 通过控制器 稳定电压后接入直流母线 与光伏发电系统输出电 能汇流 nullnull 结 构 如图 null 所示 图 null 小型风力发电系统结构 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 2 2 3 风力发电功率计算 风力发电机输出功率遵循贝茨定律 计 算 式为 P nullnull nullnull null nullAV null C p null nullnull null 其 中 A nullnull null 式 中 nullnullnull风轮 半径 取 null null null P nullnull nullnullnull风力发电机输出功率 null nullnullnullnull空气 密度 取 null nullnull nullnullnull null Anullnullnull风轮 扫风面积 null null Vnullnullnull实际 风速 nullnullnull C p nullnullnull风能 利用系数 取 null null null nullnull nullnullnull风力发电机总效率 取 null null 系统总风力发电量计算式为 E nullnull null null n i null P nullnull i T i null nullnullnull null nullnullnull null 式 中 E nullnull nullnullnull年风 力发电量 null null P nullnull i nullnullnull不同风速段输出功率 null T i nullnullnull不同风速段持续时间 null nnullnullnull风速 分布等级 取 null null nullnullnull nullnullnull整流 器效率 取 null null null nullnullnull nullnullnull逆变器转换效率 取 null nullnull 根据 当地风速分布 由式 null 计算各风速段输 出功率 再代入式 null 求得 null 台风力发电年发电量 为 null nullnull null null 风力发电量与光伏发电量叠加 系统年总发电 量约 nullnull nullnull null null 2 3 高性能锂电池储能子系统 2 3 1 锂电池选型与组配 选用磷酸铁锂电池 nullnullnull null nullnull 型 单体容量 nullnull null null 标 称 电 压 null null null 根 据 储 能 容 量 nullnull null null 系统电压 nullnullnull null 直流母线电压 nullnullnull null 要求 采用 nullnullnull 串 null null 并组配方式 总电芯数量 nullnullnull 节 组成 null 个储能模块 nullnullnull 串 null null 并 null模