CN114066058A - 一种低碳养殖场全环节综合能源优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低碳养殖场全环节综合能源优化方法，包括以下步骤：步骤S1:构建低碳养殖场综合能源系统结构，包括养殖场能量转换中心、综合能源配送网络以及养殖场多能负荷；步骤S2:基于低碳养殖场综合能源系统结构，构建低碳养殖场综合能源系统模型；步骤S3：基于低碳养殖场综合能源系统模型，以养殖场运行能耗最低为目标，获取优化调度方案。本发明最大限度节省供热能源损耗，实现低碳养殖场的低碳目标，进而提高养殖场能源的利用效率。

Description

一种低碳养殖场全环节综合能源优化方法

技术领域

本发明涉及综合能源系统的优化调度领域，特别是一种低碳养殖场全环节综合能源优化方法。

背景技术

在双碳目标背景下，我国能源体系正处于绿色低碳转型的关键节点，综合能源系统可实现不同能源之间的优势互补，进而提高能源的利用效率，现在已对城市综合能源系统的优化调度做了深入的研究，然而针对低碳养殖场综合能源系统的优化调度的研究较少。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低碳养殖场全环节综合能源优化方法，最大限度节省供热能源损耗，实现低碳养殖场的低碳目标，进而提高养殖场能源的利用效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低碳养殖场全环节综合能源优化方法，包括以下步骤：

步骤S1:构建低碳养殖场综合能源系统结构，包括养殖场能量转换中心、综合能源配送网络以及养殖场多能负荷；

步骤S2:基于低碳养殖场综合能源系统结构，构建低碳养殖场综合能源系统模型；

步骤S3：基于低碳养殖场综合能源系统模型，以养殖场运行能耗最低为目标，，获取优化调度方案。

进一步的，所述养殖场能量转换中心主要包括变压器、CHP、热泵以及沼气处理单元；所述养殖场能量转换中心生产的电能和热能通过综合能源配送网络输送至养殖场的牲畜舍。

进一步的，所述步骤S2具体为：

步骤S21：建立低碳养殖场能量生产及转换单元数学模型；

步骤S22：对低碳养殖场配电系统进行数学建模；

步骤S23：基于分段线性化的原理，构建低碳养殖场热网模型。

进一步的，所述步骤S21具体为：对沼气处理过程伴随的电力消耗以及其他能量转换单元的功率输出进行数学描述。

沼气处理过程伴随的电力消耗表示为：

P_t ^biogas＝η_bP_t ^g (1)

式中，P_t ^g为t时段沼气处理单元产出的沼气功率；P_t ^biogas为沼气处理过程所消耗的电功率；η_b为沼气处理过程中的电力消耗系数。

其他能量转换单元的功率输出约束为：

P_t ^chp＝η_eP_t ^g (2)

0≤P_t ^e≤P^e,max (5)

0≤P_t ^g≤P^g,max (6)

0≤P_t ^hp≤P^hp,max (7)

式中，η_e为CHP的气转电效率；η_h为CHP的气转热效率；P_t ^hp为热泵消耗的电功率；

为热泵输出的热功率；η_hp为热泵的电转热效率；P_t ^e为养殖场从上级配电网购买的电功率；P^e,max为养殖场从上级配电网购买的电功率上限；P^g,max为沼气处理单元输入到CHP的燃气功率上限(即沼气处理单元最大产出燃气功率上限)；P^hp,max为热泵出力的上限。

进一步的，所述步骤S22具体为：基于Distflow模型对配电系统建模，并将配电网潮流约束中的平方项进行线性化处理。

如下图9所示，j是发送端，j+1是接收端。P_j+iQ_j是节点j的复功率；

是节点(j+1)所带负荷的复功率；r_f+ix_f是从节点j到节点j+1线路的复阻抗。V_j是节点j的电压，每个节点的潮流如下表示：

1-ε≤V_j≤1+ε (11)

将配电网潮流约束中的平方项进行线性化处理，线性化的潮流约束如下所示：

进一步的，所述步骤S23采用分段线性化的方法对节点压力方程进行线性化处理，将热网的非线性约束转换为线性约束；

式中，p_n,t为节点n在t时刻的压力；

表示管道特性，κ_l、 L_l和dl分别为管道l的摩擦系数、长度和内壁管径；ρ为水的密度；

在数值上等于

是0-1变量，用来表示

的值是否在第q段上。

进一步的，所述构建低碳养殖场热网模型具体如下：

采用热阻-热容网络模型来对猪舍的墙体热动态模型和室内热动态模型进行数学建模，并基于每个牲畜舍的供水温度是恒定的低碳养殖场热网模型；

式中，r^1,2、r^1,3、r^1,4、r^1,5在该面墙体接受阳光照射时取1，否则取0；α^1,2、α^1,3、α^1,4、α^1,5和Aw^1,2、Aw^1,3、Aw^1,4、Aw^1,5分别表示四面墙体的吸热率和表面积；Cr¹为猪舍的室内空气等效热容；

表示猪舍内的散热器散热量；

表示猪舍内牲畜活动及代谢所产生的内得热；猪舍和节点i之间的墙体设有窗，透过窗得到的室外光照强度为

A_win为窗户面积，τ_win为窗户透光率。

进一步的，所述步骤S3具体为：以养殖场运行能耗最低为优化调度目标，考虑养殖场综合能源系统中源-网-荷各个环节的运行约束，基于MATLAB-YALMIP平台，通过CPLEX求解器对低碳养殖场热网模型进行求解。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明能最大限度节省供热能源损耗，实现低碳养殖场的低碳目标，进而提高养殖场能源的利用效率。

附图说明

图1为本发明实施例的养殖场综合能源系统结构；

图2为本发明实施例的太阳辐射强度和室外温度示意图；

图3为本发明实施例的电价示意图；

图4为本发明实施例的每间猪舍的电负荷和室内得热示意图；

图5为本发明实施例的优化调度后养殖场电能购买量和沼气的使用量示意图；

图6为本发明实施例的养殖场综合能源系统的能源优化调度方案；

图7为本发明实施例的对比组的猪舍舍内温度及散热器流量示意图；

图8为本发明实施例两个场景下的猪舍舍内温度示意图；

图9为本发明实施例中线性化电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种低碳养殖场“源-网-荷”全环节综合能源优化方法，包括以下步骤：

步骤S1：进行低碳养殖场综合能源系统结构构造；

步骤S2：进行低碳养殖场综合能源系统模型构建；包括构建低碳养殖场能量生产及转换单元数学模型、配电系统数学模型、热网数学模型、牲畜舍数学模型；

步骤S3：以养殖场运行能耗最低为目标，构建低碳养殖场综合能源系统优化调度模型。

在本实施例中，低碳养殖场综合能源系统结构主要包括养殖场能量转换中心、综合能源配送网络以及养殖场多能负荷。养殖场能量转换中心主要包括变压器、CHP、热泵以及沼气处理单元。能量转换中心生产的电能和热能通过综合能源配送网络输送至养殖场的牲畜舍，以满足牲畜的电热负荷需求。

在本实施例中，步骤S2，具体为：

步骤S21：建立低碳养殖场能量生产及转换单元数学模型；

优选的，具体为对沼气处理过程伴随的电力消耗以及其他能量转换单元的功率输出进行数学描述；

沼气处理过程伴随的电力消耗可表示为：

P_t ^biogas＝η_bP_t ^g (1)

式中，P_t ^g为t时段沼气处理单元产出的沼气功率；P_t ^biogas为沼气处理过程所消耗的电功率；η_b为沼气处理过程中的电力消耗系数。

其他能量转换单元的功率输出约束为：

P_t ^chp＝η_eP_t ^g (2)

0≤P_t ^e≤P^e,max (5)

0≤P_t ^g≤P^g,max (6)

0≤P_t ^hp≤P^hp,max (7)

式中，η_e为CHP的气转电效率；η_h为CHP的气转热效率；P_t ^hp为热泵消耗的电功率；

为热泵输出的热功率；η_hp为热泵的电转热效率；P_t ^e为养殖场从上级配电网购买的电功率；P^e,max为养殖场从上级配电网购买的电功率上限；P^g,max为沼气处理单元输入到CHP的燃气功率上限(即沼气处理单元最大产出燃气功率上限)；P^hp,max为热泵出力的上限。

步骤S22：对低碳养殖场配电系统进行数学建模；

优选的，本实施例中，基于Distflow模型对配电系统建模，且为了提高求解效率，本文将配电网潮流约束中的平方项进行线性化处理。

如下图9所示，j是发送端，j+1是接收端。P_j+iQ_j是节点j的复功率；

是节点(j+1)所带负荷的复功率；r_f+ix_f是从节点j到节点j+1线路的复阻抗。V_j是节点j的电压，每个节点的潮流如下表示：

1-ε≤V_j≤1+ε (11)

将配电网潮流约束中的平方项进行线性化处理，线性化的潮流约束如下所示：

步骤S23：基于分段线性化的原理，构建低碳养殖场热网模型。

基于低碳养殖场中的二次热网规模小且距离短，因此只需要考虑二次热网的水力模型，本文选择采用分段线性化的方法对节点压力方程进行线性化处理，将热网的非线性约束转换为线性约束；

式中，p_n,t为节点n在t时刻的压力；

表示管道特性，κ_l、L_l和 dl分别为管道l的摩擦系数、长度和内壁管径；ρ为水的密度；

在数值上等于

是0-1变量，用来表示

的值是否在第q段上。

采用热阻-热容(resistance-capacitance,RC)网络模型来对猪舍的墙体热动态模型和室内热动态模型进行数学建模，并基于每个牲畜舍的供水温度是恒定的假设构建了牲畜舍散热器数学模型；

式中，r^1,2、r^1,3、r^1,4、r^1,5在该面墙体接受阳光照射时取1，否则取0；α^1,2、α^1,3、α^1,4、α^1,5和Aw^1,2、Aw^1,3、Aw^1,4、Aw^1,5分别表示四面墙体的吸热率和表面积；Cr¹为猪舍的室内空气等效热容；

表示猪舍内的散热器散热量；

表示猪舍内牲畜活动及代谢所产生的内得热；猪舍和节点5之间的墙体设有窗，因此，透过窗得到的室外光照强度为

A_win为窗户面积，τ_win为窗户透光率。

优选的，在本实施例中，步骤S3，具体为：以养殖场运行能耗最低为优化调度目标，考虑养殖场综合能源系统中“源-网-荷”各个环节的运行约束，基于MATLAB-YALMIP平台，通过CPLEX求解器对上述线性规划模型进行求解。

实施例1:

本实施例针对IEEE 33配电系统和单独猪舍进行建模及优化调度，提供一种低碳养殖场“源-网-荷”全环节综合能源优化方法，包括以下步骤：

步骤1：进行低碳养殖场综合能源系统结构进行构造。在实施案例中，选取IEEE 33配电系统以及20间单独猪舍，选取我国北方冬季某一典型日，构造低碳养殖场综合能源系统结构。

步骤2：进行低碳养殖场综合能源系统模型构建；包括构建低碳养殖场能量生产及转换单元数学模型、配电系统数学模型、热网数学模型、牲畜舍数学模型。

步骤3：以养殖场运行成本最低为目标，构建低碳养殖场综合能源系统优化调度模型。

养殖场以沼气处理单元的最大沼气生产功率优先使用沼气进行综合能源供给，不足的部分通过向外部电网购电来满足。这是由于沼气是通过养殖粪污处理得到，优先使用沼气可最大限度降低养殖场的能源花费。

CHP最大限度利用沼气生产电能和热能，其全天保持恒定的电能和热能功率输出。在CHP产出热能不能满在CHP产出热能不能满足养殖场热负荷的时候，养殖场调度热泵，通过消耗电能来产生热能。

基于猪舍围护结构的蓄热特性，养殖场可分别在生长猪舍和保育仔猪舍的舍内温度舒适度区间内，动态调整猪舍内散热器的水流量，从而节省猪舍的供热成本，降低养殖场的运行成本。

对比不使用沼气场景下的养殖场运行成本，如表1所示。可以看到，通过沼气利用，养殖场可以降低约10.3％的运行成本，同时减少向外部电网购电约11％，从而进一步降低对外部电网的依赖。因此，通过对沼气的有效利用可在解决养殖场粪污污染的同时，降低养殖场的用能成本，且进一步降低对外部电网的依赖，从而减缓潜在的农村电网备用容量的建设。

表1对比结果

Table 3 Comparative results

对比两个场景，考虑猪舍围护结构的蓄热特性以及由此带来的热负荷的灵活性以及不考虑猪舍围护结构的蓄热特性以及由此带来的热负荷的灵活性，两种场景下养殖场的热负荷和运行成本对比结果如表2所示。可以看到，由于场景2不对散热器的水流量做调节，无法利用热负荷的灵活性，使得其热负荷总量和运行成本均高于场景1。此外，场景2的猪舍散热器流量由人为设定，而非通过优化调度来决定。因此可能会造成猪舍内温度过高或过低，无法保证舍内温度舒适度，且有可能造成热能的浪费。

表2两种场景的对比结果

Table 4 Comparative results in two scenarios

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种低碳养殖场全环节综合能源优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1:构建低碳养殖场综合能源系统结构，包括养殖场能量转换中心、综合能源配送网络以及养殖场多能负荷；

步骤S2:基于低碳养殖场综合能源系统结构，构建低碳养殖场综合能源系统模型；

步骤S3：基于低碳养殖场综合能源系统模型，以养殖场运行能耗最低为目标，获取优化调度方案。

2.根据权利要求1所述的一种低碳养殖场全环节综合能源优化方法，其特征在于，所述养殖场能量转换中心主要包括变压器、CHP、热泵以及沼气处理单元；所述养殖场能量转换中心生产的电能和热能通过综合能源配送网络输送至养殖场的牲畜舍。

3.根据权利要求1所述的一种低碳养殖场全环节综合能源优化方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

步骤S21：建立低碳养殖场能量生产及转换单元数学模型；

步骤S22：对低碳养殖场配电系统进行数学建模；

步骤S23：基于分段线性化的原理，构建低碳养殖场热网模型。

4.根据权利要求3所述的一种低碳养殖场全环节综合能源优化方法，其特征在于，所述步骤S21具体为：对沼气处理过程伴随的电力消耗以及其他能量转换单元的功率输出进行数学描述，

沼气处理过程伴随的电力消耗表示为：

P_t ^biogas＝η_bP_t ^g (1)

式中，P_t ^g为t时段沼气处理单元产出的沼气功率；P_t ^biogas为沼气处理过程所消耗的电功率；η_b为沼气处理过程中的电力消耗系数。

其他能量转换单元的功率输出约束为：

P_t ^chp＝η_eP_t ^g (2)

0≤P_t ^e≤P^e,max (5)

0≤P_t ^g≤P^g,max (6)

0≤P_t ^hp≤P^hp,max (7)

式中，η_e为CHP的气转电效率；η_h为CHP的气转热效率；P_t ^hp为热泵消耗的电功率；

为热泵输出的热功率；η_hp为热泵的电转热效率；P_t ^e为养殖场从上级配电网购买的电功率；P^e,max为养殖场从上级配电网购买的电功率上限；P^g,max为沼气处理单元输入到CHP的燃气功率上限(即沼气处理单元最大产出燃气功率上限)；P^hp,max为热泵出力的上限。

5.根据权利要求3所述的一种低碳养殖场全环节综合能源优化方法，其特征在于，所述步骤S22具体为：基于Distflow模型对配电系统建模，并将配电网潮流约束中的平方项进行线性化处理

设j是发送端，j+1是接收端，P_j+iQ_j是节点j的复功率；

是节点(j+1)所带负荷的复功率；r_f+ix_f是从节点j到节点j+1线路的复阻抗。V_j是节点j的电压，每个节点的潮流如下表示：

1-ε≤V_j≤1+ε (11)

将配电网潮流约束中的平方项进行线性化处理，线性化的潮流约束如下所示：

6.根据权利要求3所述的一种低碳养殖场全环节综合能源优化方法，其特征在于，所述步骤S23采用分段线性化的方法对节点压力方程进行线性化处理，将热网的非线性约束转换为线性约束；

式中，p_n,t为节点n在t时刻的压力；

表示管道特性，κ_l、L_l和dl分别为管道l的摩擦系数、长度和内壁管径；ρ为水的密度；

在数值上等于

是0-1变量，用来表示

的值是否在第q段上。

7.根据权利要求3所述的一种低碳养殖场全环节综合能源优化方法，其特征在于，所述构建低碳养殖场热网模型具体如下：

采用热阻-热容网络模型来对猪舍的墙体热动态模型和室内热动态模型进行数学建模，并基于每个牲畜舍的供水温度是恒定的低碳养殖场热网模型；

式中，r^1,2、r^1,3、r^1,4、r^1,5在该面墙体接受阳光照射时取1，否则取0；α^1,2、α^1,3、α^1,4、α^1,5和Aw^1,2、Aw^1,3、Aw^1,4、Aw^1,5分别表示四面墙体的吸热率和表面积；Cr¹为猪舍的室内空气等效热容；

表示猪舍内的散热器散热量；

表示猪舍内牲畜活动及代谢所产生的内得热；猪舍和节点i之间的墙体设有窗，透过窗得到的室外光照强度为

A_win为窗户面积，τ_win为窗户透光率。

8.根据权利要求7所述的一种低碳养殖场全环节综合能源优化方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：以养殖场运行能耗最低为优化调度目标，考虑养殖场综合能源系统中源-网-荷各个环节的运行约束，基于MATLAB-YALMIP平台，通过CPLEX求解器对低碳养殖场热网模型进行求解。

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