CN111108969A - 一种设施农业温室及多形态储能优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种设施农业温室及多形态储能优化控制方法，构建了设施农业温室结构，建立了温室结构内各个供电装置和各个供热装置的功耗模型，以设施农业温室综合电热运行成本最低为优化目标，构建考虑光伏出力特性、分时电价及设施农业生产用能和储能特性的协调优化模型。算例结果表明，相变蓄热储能装置和蓄水储能装置实现了多余光伏最大化就地消纳，减少了光伏外送对配电网稳定性的影响，证明了该调度控制模型的合理性。

Description

一种设施农业温室及多形态储能优化控制方法

技术领域

本发明属于农业储能技术领域，尤其涉及一种设施农业温室及多形态储能优化控制方法。

背景技术

广大农村用电需求量不断提升，尤其是随着设施农业的发展，农业负荷用电量急剧增加，为光伏发电的消纳提供了新的选择。

目前，针对工商业负荷特性的研究较多。比如，分析电动汽车充电负荷响应特性，建立电动汽车充电负荷调度潜力评估模型，实现负荷曲线的优化，提高电网运行稳定性；通过IEEE33节点配电网算例验证该方法可以有效降低充电成本与电网网损成本。再比如，对电解铝、冶金和煤炭等高载能负荷进行研究，将其与风-光-火发电进行联合调度,实现可再生能源的充分消纳。还比如，提出了智能小区柔性负荷实时调度技术，有效降低了用户用电成本，减小了负荷的峰值，针对空调负荷聚合模型进行了研究，在削峰填谷、平衡新能源波动方面具有重要作用。

但是，针对农业负荷的研究较少，现有的以农业负荷为研究对象，提出以沼气作为气源的冷-热-电-气农村多能流微能网架构，建立农村微能网优化调度模型，最终实现农村微能网的经济运行。针对当前设施农业负荷增长迅猛，缺乏有效的调度控制方法实现光伏电能的就地消纳的问题。

发明内容

为克服上述现有的问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种设施农业温室及多形态储能优化控制方法。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种设施农业温室，包括：

所述温室的顶部安装有太阳能光伏板，所述温室的三个侧面为砖混保温墙，所述温室的其它面为阳光板；

所述温室内部配置LED补光灯、等离子固氮装置、空间电场、物理杀虫灯、空气源热泵、蓄水储能装置和相变蓄热储能装置。

根据本发明实施例第二方面提供一种基于设施农业温室的多形态储能优化控制方法，包括：

建立设施农业温室综合电热运行成本函数；

基于设施农业温室内的约束条件，采用粒子群算法对所述综合电热运行成本函数进行求解，对光伏板发电功率、蓄水储能装置的电功率、空气源热泵的热功率和相变蓄热储能装置的热功率进行优化控制，使得设施农业温室内的综合电热运行成本最小。

本发明实施例提供的一种设施农业温室及多形态储能优化控制方法，构建了设施农业温室结构，建立了温室结构内各个供电装置和各个供热装置的功耗模型，以设施农业温室综合电热运行成本最低为优化目标，构建考虑光伏出力特性、分时电价及设施农业生产用能和储能特性的协调优化模型。算例结果表明，相变蓄热储能装置和蓄水储能装置实现了多余光伏最大化就地消纳，减少了光伏外送对配电网稳定性的影响，证明了该调度控制模型的合理性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的设施农业温室外部结构图；

图2为本发明实施例提供的设施农业温室内部装置连接图；

图3为本发明实施例提供的多形态储能优化控制方法流程图；

图4为冬季典型日光伏、电-热负荷曲线示意图；

图5为冬季典型日相变蓄热储能装置运行功率曲线示意图；

图6为蓄水储能装置蓄水量曲线示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参见图1，提供了本发明实施例的设施农业温室的外部结构图，设施农业温室的外部结构为，温室的顶部安装有太阳能光伏板，温室的三个侧面为砖混保温墙，温室的其它面为阳光板。

参见图2，为设施农业温室的内部装置连接图，设施农业温室内部配置LED补光灯、等离子固氮装置、空间电场、物理杀虫灯、空气源热泵、蓄水储能装置和相变蓄热储能装置。

参见图3，提供了本发明又一个实施例的多形态储能优化控制方法，该优化控制方法基于前述实施例的设施农业温室，该优化控制方法包括：建立设施农业温室综合电热运行成本函数；基于设施农业温室内的约束条件，采用粒子群算法对所述综合电热运行成本函数进行求解，对光伏板发电功率、蓄水储能装置的电功率、空气源热泵的热功率和相变蓄热储能装置的热功率进行优化控制，使得设施农业温室内的综合电热运行成本最小。

可以理解的是，设施农业温室包括发电、储能装置，还包括各个供电装置和各个供热装置，整个设施农业温室需要消耗能量，包括电能量和热能量。在本发明实施例中，建立设施农业温室综合电热运行成本函数，对综合电热运行成本函数进行求解，对光伏板发电功率、蓄水储能装置的电功率、空气源热泵的热功率和相变蓄热储能装置的热功率进行优化控制，使得设施农业温室内的综合电热运行成本最小。

本发明实施例构建了设施农业温室结构，建立了温室结构内各个供电装置和各个供热装置的功耗模型，以设施农业温室综合电热运行成本最低为优化目标，构建考虑光伏出力特性、分时电价及设施农业生产用能和储能特性的协调优化模型。算例结果表明，相变蓄热储能装置和蓄水储能装置实现了多余光伏最大化就地消纳，减少了光伏外送对配电网稳定性的影响，证明了该调度控制模型的合理性。

作为一个可选的实施例，设施农业温室综合电热运行成本包括从配电网购电成本和各装置维护成本，设施农业温室综合电热运行成本函数为：

式中，e_buy(t)为在时段t从配电网购电的价格，P_grid(t)为从配电网购电的功率，C_i(t)为第i个装置的单位电功率维护费用，P_i(t)为第i个装置的电功率，其中，P_i(t)为光伏和蓄水储能装置，n为光伏和蓄水储能装置的总数量，C_r(t)为第r个装置的单位热功率维护费用，Q_r(t)为第r个装置的热功率，其中，Q_r(t)为空气热源泵和相变蓄蓄热储能装置，m为空气热源泵和相变蓄蓄热储能装置的总数量。

作为一个可选的实施例，设施农业温室中设置蓄水泵，蓄水泵由光伏电能驱动，当光伏电能不能完全消纳时，驱动蓄水泵工作将水抽送到地势相对较高的蓄水池中进行储存。在植物生长需要水时，无需使用电能驱动水泵工作，直接靠势能灌溉作物。蓄水储能装置在运行过程中的电功率计算公式为：

P_pumpe(t)＝P_pumpη_pumps_it；

式中，P_pumpe(t)为直流电机在时段t输出的机械功率，P_pump为蓄水泵的耗电功率，η_pump为直流电机电功率转化为机械功率的效率；

作为一个可选的实施例，空气源热泵由电能驱动压缩机运转，将空气中的能量转移至室内实现加热，设备配置简单且不会排放有害气体，在供热的同时也能做到节能环保。空气热源泵在运行过程中的热功率计算公式为：

Q_HP(t)＝C_HPP_EHPs_it；

式中，Q_HP(t)为空气源热泵在t时刻的输出热功率；C_HP为空气源热泵制热系数；P_EHP为空气源热泵在t时刻的用电功率。

作为一个可选的实施例，相变蓄热是利用相变材料在物态变化过程中吸收或放出的热量进行能量存储或释放，从而实现能量在时间和空间上的转移。相变蓄热储能的充放能特性与蓄电池类似，相变蓄热储能装置在运行过程中的热功率计算公式为：

E(t)＝E(t-1)(1-δ)+ΔTP_eh(t)η_ch-ΔTP_dis(t)/η_dis；

式中，E(t)为相变蓄热储能装置在t时刻的热能量；δ为相变蓄热储能装置自放能系数；P_eh(t)为相变蓄热储能装置在t时刻的充热效率；P_dis(t)相变蓄热储能装置在t时刻的放热功率；η_ch为相变蓄热储能装置充热效率系数；ηd_is为相变蓄热储能装置放热效率系数；ΔT为单位时段。

上述各实施例建立了设施农业温室综合电热运行成本函数，并建立了各个装置的功耗模型，本发明实施例以设施农业温室综合电热运行成本最低为目标函数，考虑各种相关约束，采用粒子群算法进行求解，根据求解结果制定调度策略。

作为一个可选的实施例，在对设施农业温室综合电热运行成本函数求解过程中，设施农业温室内的约束条件包括电功率平衡约束条件、热功率平衡约束条件、设施农业温室内供电装置和供热装置约束条件以及储能装置约束条件。

作为一个可选的实施例，电功率平衡约束条件为：

P_grid(t)+P_PV(t)＝P_e(t)+P_EHP(t)+P_pump(t)；

式中，P_PV(t)为光伏发电功率，P_e(t)为设施农业温室内LED补光灯的电功率、等离子固氮装置的电功率、空间电场的电功率和物理杀虫灯的电功率总和，P_EHP(t)为空气源热泵耗电量，P_pump(t)为蓄水泵耗电量；

热功率平衡约束条件为：

Q_HP(t)+Q_hstor(t)＝Q_h(t)；

式中，Q_hstor(t)为相变蓄热储能装置的充热或者放热功率，Q_h(t)为设施农业温室热负荷。

作为一个可选的实施例，LED补光灯可以在外部阴雨天或者自然光照不足的情况下提高植物的光合作用，其具有结构简单，性价比高的特点。LED补光灯的电功率的计算公式为：

式中，p_LED为单只补光灯的功率，N(t)为特定时间段需要开启补光灯的数量，N(t)与设施农业当地的气象条件密切相关，T为补光灯总的工作时段数，

为补光灯第i个工作时段结束运行的时间，

为补光灯第i个工作时段开始运行的时间。

作为一个可选的实施例，等离子体技术在无机材料合成、高分子合成、有机合成等方面应用广泛。利用放电等离子体技术实现水中固氮制硝酸，此过程利用以取之不尽的空气和水作为基本原料，反应过程无需辅以高温、高压催化剂，是一种具有潜力的绿色固氮新技术。等离子固氮装置的电功率的计算公式为：

P_Plasma(t)＝P_Plasmas_it；

式中，P_Plasma为等离子固氮装置的额定功率，s_it表示负荷i在时段t的工作情况，工作时取1，否则取0。

作为一个可选的实施例，本发明实施例采用的空间电场，其工作原理是：高压发生器产生45kV的直流高压，作用在细导电丝上，产生电晕放电，从而促进植物的生长，同时具有消除温室内雾气和湿气的作用。空间电场的电功率的计算公式为：

P_selectric(t)＝P_selectrics_it；

式中，P_selectric为空间电场的额定功率。

作为一个可选的实施例，由于温室的害虫，是农作物大面积减产或绝收。同时，为了抑制害虫的危害，大量喷洒农药会影响农产品的品质，危害健康，破坏环境。物理杀虫技术利用害虫的趋光性和对各类颜色的敏感性，利用高压电将去除害虫，其具有经济环保的优点。物理杀虫灯的电功率的计算公式为：

P_{pinsecticidal}(t)＝P_{pinsecticidal}s_it；

式中，P_{pinsecticidal}为温室物理杀虫灯的额定运行功率。

作为一个可选的实施例，设施农业温室热负荷Q_h(t)的计算公式为：

Q_h(t)＝Q₁+Q₂+Q₃；

Q₁＝∑s_ja_j(t_in-t_out)；

Q₂＝0.5kvn(t_in-t_out)；

Q₃＝∑s_ia_i(t_in-t_out)；

其中，Q_dre为设施农业温室的热负荷，Q₁为传热负荷，Q₂为渗透热负荷，Q₃为地面热负荷，s_j为指设施农业温室顶部阳光板和侧面保温墙的传热系数，a_j为设施农业温室阳光板截面积和侧面保温墙部面积，t_in为设施农业温室内部的温度，t_out为设施农业温室外部的温度，k为风力因子，v为设施农业温室内部的空气体积，n为换气次数，s_i为地面传热系数，a_i为温室内地面的面积。

作为一个可选的实施例，设施农业温室内供电装置和供热装置约束条件为：

P_i ^min≤P_i(t)≤P_i ^max,i＝1...n；

式中，P_i ^min和P_i ^max为设施农业温室中第i个供电装置的最小和最大功率，n为供电装置的总数量；

和

为设施农业温室中第r个供热装置的最小荷最大功率，m为供热装置的总数量；

其中，供电装置包括光伏和蓄水储能装置，供热装置包括蓄水储能装置和相变蓄热储能装置。

储能装置约束条件为：

E_min≤E(t)≤E_max；

0≤P_dis(t)≤P_dmax；

0≤P_ch(t)≤P_cmax；

式中，E_min和E_max为相变蓄热储能装置的最小和最大容量，Q_dmax为相变蓄热储能装置的最大放热功率，Q_cmax为相变蓄热储能装置的最大充热功率。

本发明实施例以中国西部某地区新建设施农业温室为例验证所提调度模型的合理性。电网电价采用分时电价,设施农业温室供能和储能装置参数如表1所示。冬季典型日光伏、电-热负荷曲线如图4所示。

表1设施农业温室供能和储能装置参数

图5是冬季典型日相变蓄热储能装置运行功率曲线，纵坐标正值为相变蓄热储能装置蓄热功率，纵坐标负值为相变蓄热储能装置放热功率。在11:00-16:00时，由于光伏出力值大于设施农业温室电负荷需求量，故将多余光伏出力通过空气源热泵转化为热量放入相变蓄热储能装置进行储存。在16:00-24:00时，优先将相变蓄热储能装置中的热量放出满足设施农业温室热负荷需求，不足的部分靠空气源热泵满足。

图6是蓄水储能装置的蓄水量曲线。在08:00时将蓄水池的阀门打开，水靠势能流出，对农作物进行灌溉。在11:00时以后，光伏出力大于设施农业温室电负荷需求，利用多余的光伏电能控制蓄水泵将蓄水池充满，在第二日08:00时放出灌溉农作物。

本发明实施例提供的设施农业温室及多形态储能优化控制方法，构建了设施农业温室结构，建立了设施农业负荷功耗模型、相变蓄热储能装置模型和蓄水储能装置模型。以设施农业温室综合电热运行成本最低为优化目标，构建考虑光伏出力特性、分时电价及设施农业生产用能和储能特性的协调优化模型。算例结果表明，相变蓄热储能装置和蓄水储能装置实现了多余光伏最大化就地消纳，减少了光伏外送对配电网稳定性的影响，证明了该调度控制模型的合理性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种设施农业温室，其特征在于，所述温室的顶部安装有太阳能光伏板，所述温室的三个侧面为砖混保温墙，所述温室的其它面为阳光板；

所述温室内部配置LED补光灯、等离子固氮装置、空间电场、物理杀虫灯、空气源热泵、蓄水储能装置和相变蓄热储能装置。

2.一种基于权利要求1所述的设施农业温室的多形态储能优化控制方法，其特征在于，包括：

建立设施农业温室综合电热运行成本函数；

基于设施农业温室内的约束条件，采用粒子群算法对所述综合电热运行成本函数进行求解，对光伏板发电功率、蓄水储能装置的电功率、空气源热泵的热功率和相变蓄热储能装置的热功率进行优化控制，使得设施农业温室内的综合电热运行成本最小。

3.根据权利要求2所述的优化控制方法，其特征在于，所述设施农业温室综合电热运行成本函数为：

式中，e_buy(t)为在时段t从配电网购电的价格，P_grid(t)为从配电网购电的功率，C_i(t)为第i个装置的单位电功率维护费用，P_i(t)为第i个装置的电功率，其中，P_i(t)为光伏和蓄水储能装置，n为光伏和蓄水储能装置的总数量，C_r(t)为第r个装置的单位热功率维护费用，Q_r(t)为第r个装置的热功率，其中，Q_r(t)为空气热源泵和相变蓄蓄热储能装置，m为空气热源泵和相变蓄蓄热储能装置的总数量。

4.根据权利要求3所述的优化控制方法，其特征在于，所述蓄水储能装置在运行过程中的电功率计算公式为：

P_pumpe(t)＝P_pumpη_pumps_it；

式中，P_pumpe(t)为直流电机在时段t输出的机械功率，P_pump为蓄水泵的耗电功率，η_pump为直流电机电功率转化为机械功率的效率；

所述空气热源泵在运行过程中的热功率计算公式为：

Q_HP(t)＝C_HPP_EHPs_it；

式中，Q_HP(t)为空气源热泵在t时刻的输出热功率；C_HP为空气源热泵制热系数；P_EHP为空气源热泵在t时刻的用电功率；

所述相变蓄热储能装置在运行过程中的热功率计算公式为：

E(t)＝E(t-1)(1-δ)+ΔTP_eh(t)η_ch-ΔTP_dis(t)/η_dis；

式中，E(t)为相变蓄热储能装置在t时刻的热能量；δ为相变蓄热储能装置自放能系数；P_eh(t)为相变蓄热储能装置在t时刻的充热效率；P_dis(t)相变蓄热储能装置在t时刻的放热功率；η_ch为相变蓄热储能装置充热效率系数；η_dis为相变蓄热储能装置放热效率系数；ΔT为单位时段。

5.根据权利要求2所述的优化控制方法，其特征在于，所述设施农业温室内的约束条件包括电功率平衡约束条件、热功率平衡约束条件、设施农业温室内供电装置和供热装置约束条件以及储能装置约束条件。

6.根据权利要求5所述的优化控制方法，其特征在于，所述电功率平衡约束条件为：

P_grid(t)+P_PV(t)＝P_e(t)+P_EHP(t)+P_pump(t)；

式中，P_PV(t)为光伏发电功率，P_e(t)为设施农业温室内LED补光灯的电功率、等离子固氮装置的电功率、空间电场的电功率和物理杀虫灯的电功率总和，P_EHP(t)为空气源热泵耗电量，P_pump(t)为蓄水泵耗电量；

所述热功率平衡约束条件为：

Q_HP(t)+Q_hstor(t)＝Q_h(t)；

式中，Q_hstor(t)为相变蓄热储能装置的充热或者放热功率，Q_h(t)为设施农业温室热负荷。

7.根据权利要求6所述的优化控制方法，其特征在于，所述LED补光灯的电功率的计算公式为：

式中，p_LED为单只补光灯的功率，N(t)为特定时间段需要开启补光灯的数量，N(t)与设施农业当地的气象条件密切相关，T为补光灯总的工作时段数，

为补光灯第i个工作时段结束运行的时间，

为补光灯第i个工作时段开始运行的时间；

所述等离子固氮装置的电功率的计算公式为：

P_Plasma(t)＝P_Plasmas_it；

式中，P_Plasma为等离子固氮装置的额定功率，s_it表示负荷i在时段t的工作情况，工作时取1，否则取0；

所述空间电场的电功率的计算公式为：

P_selectric(t)＝P_selectrics_it；

式中，P_selectric为空间电场的额定功率；

所述物理杀虫灯的电功率的计算公式为：

P_{pinsecticidal}(t)＝P_{pinsecticidal}s_it；

式中，P_{pinsecticidal}为温室物理杀虫灯的额定运行功率。

8.根据权利要求6所述的优化控制方法，其特征在于，所述设施农业温室热负荷Q_h(t)的计算公式为：

Q_h(t)＝Q₁+Q₂+Q₃；

Q₁＝∑s_ja_j(t_in-t_out)；

Q₂＝0.5kvn(t_in-t_out)；

Q₃＝∑s_ia_i(t_in-t_out)；

其中，Q_dre为设施农业温室的热负荷，Q₁为传热负荷，Q₂为渗透热负荷，Q₃为地面热负荷，s_j为指设施农业温室顶部阳光板和侧面保温墙的传热系数，a_j为设施农业温室阳光板截面积和侧面保温墙部面积，t_in为设施农业温室内部的温度，t_out为设施农业温室外部的温度，k为风力因子，v为设施农业温室内部的空气体积，n为换气次数，s_i为地面传热系数，a_i为温室内地面的面积。

9.根据权利要求5所述的优化控制方法，其特征在于，所述设施农业温室内供电装置和供热装置约束条件为：

P_i ^min≤P_i(t)≤P_i ^max,i＝1...n；

式中，P_i ^min和P_i ^max为设施农业温室中第i个供电装置的最小和最大功率，n为供电装置的总数量；

和

为设施农业温室中第r个供热装置的最小荷最大功率，m为供热装置的总数量；

其中，供电装置包括光伏和蓄水储能装置，所述供热装置包括蓄水储能装置和相变蓄热储能装置；

所述储能装置约束条件为：

E_min≤E(t)≤E_max；

0≤P_dis(t)≤P_dmax；

0≤P_ch(t)≤P_cmax；

式中，E_min和E_max为相变蓄热储能装置的最小和最大容量，Q_dmax为相变蓄热储能装置的最大放热功率，Q_cmax为相变蓄热储能装置的最大充热功率。

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