CN115528689A - 考虑补光需求的农业温室备用能力评估方法 - Google Patents

考虑补光需求的农业温室备用能力评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力系统辅助服务领域,公开了一种考虑补光需求的农业温室备用能力评估方法,确定补光灯功率与光子通量密度的定量关系约束;计算有效光照时长并给出其约束;根据光子通量密度与光照积分的关系给出植物光饱和点约束和光照需求约束;给出补光的功率约束;基于所有约束,给出农业温室电力系统备用能力的计算方法。本发明实现了农业温室提供电力系统备用的能力评估。

Description

考虑补光需求的农业温室备用能力评估方法
技术领域
本发明属于电力系统辅助服务领域,具体是涉及一种考虑补光需求的农业温室备用能力评估方法。
背景技术
目前,由于电网灵活性调节能力跟不上风电、光伏发电的快速发展,随着风电、光伏装机比例的提高,一方面风、光发电量的消纳难度不断加大,造成大量弃风、弃光;另一方面,供电不足等运行风险事件也时有发生,危及可靠、安全的电力供应。备用是应对电力系统中发生故障、新能源出力波动等随机性事件引起功率不平衡的调控措施,为解决上述问题需要大量备用资源以提升电网的灵活性调节能力。储能从技术维度来看是提升系统灵活性、调节电力动态平衡的重要备用资源,但传统抽水蓄能电站存在投资成本高、依赖特定的地理环境等问题,集中式电化学储能电站同样面临高投资成本和高运行成本的困境。
农业温室可以为植物提供最适宜的环境,可以显著提升植物的产量和品质。由于补光对植物的生长具有:增加光合作用和产量、抑制或促进开花、缩短产品上市时间、改善作物品质等诸多好处,补光系统在农业中的应用越来越广泛。在满足植物生长所需光照的前提下,由于补光灯的有效光照时长与光照强度在一定范围内具备可调性,因此农业温室可以作为电力系统需求侧的可调资源,具备给电力系统提供运行备用的能力。目前,还未有过考虑将农业温室作为电力系统备用方面的研究,且对其可提供的备用能力需要进行定量分析。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种考虑补光需求的农业温室备用能力评估方法,设定相关约束条件,在考虑植物的补光需求情况下,给出农业温室电力系统备用能力的计算方法,验证在一个调度周期内的农业温室给电力系统提供运行备用能力,实现了农业温室提供电力系统备用的能力评估。
本发明所述的考虑补光需求的农业温室备用能力评估方法,步骤为:
步骤1、将农业温室电力系统可提供的备用容量分为上备用和下备用,给出农业温室电力系统备用能力的计算方法;
步骤2、确定补光灯功率与光子通量密度的定量关系约束;
步骤3、计算植物有效光照时长并给出植物有效光照需求约束;
步骤4、根据光子通量密度与日光照积分的关系给出植物光饱和点约束;
步骤5、给出补光的功率约束。
进一步的,农业温室补光灯负荷的最大上、下备用容量的计算公式为:
Figure 10850DEST_PATH_IMAGE001
其中,R up.max (t)为时刻t的最大上备用容量;R down.max (t)为时刻t的最大下备用容量;p(t)为时刻t单个补光灯的功率;P max 为补光灯功率最大值。
进一步的,补光灯功率与光子通量密度的定量关系约束为:
Figure 409601DEST_PATH_IMAGE002
其中,p(t)为时刻t补光灯的功率;s为一盏补光灯的有效照射面积;E FL (t)为时刻t 的单个补光灯提供的光照度,
Figure 216277DEST_PATH_IMAGE003
D PPFD.FL (t)为时刻t补光灯光照的 光合作用光子通量密度,α FL 为光子通量密度转换为光照度的转换系数;
Figure 333268DEST_PATH_IMAGE004
为灯具的发光效 率;L E.av 为补光灯的平均光效。
进一步的,植物有效光照时长约束为:
Figure 982293DEST_PATH_IMAGE005
式(4)表示当太阳光有效光照时长小于适宜植物生长的最长光照时,叠加人工补光后总有效光照时长需控制在适宜植物生长的范围内;当太阳光有效光照时长大于适宜植物生长的最长光照时,此时无需人工补光,即使开启补光灯也只能在太阳光光照有效的时刻开启;
m min 为适宜植物生长的最短光照时长;m max 为适宜植物生长的最长光照时长;λ VT (t)为表示时刻t的总光照是否有效的(0,1)变量,将植物光子通量密度大于光补偿点时认为有效光照,即λ VT (t)=1表示该时刻总光照有效,λ VT (t)=0表示该时刻总光照无效,λ VT (t)的取值如式(5)所示;λ VT.SL (t)为(0,1)变量,表示时刻t太阳光光子通量密度是否大于植物光补偿点光照,λ VT.SL (t)的取值如式(6)所示;
Figure 501130DEST_PATH_IMAGE006
Figure 213128DEST_PATH_IMAGE007
其中,D PPFD.LCP 为植物的光补偿点,为使植物开始进行光合作用的光子通量密度最小值,由植物种类决定;D PPFD.SL (t)为时刻t太阳光的光合作用光子通量密度。
进一步的,植物光饱和点约束和光照需求约束为:
Figure 817416DEST_PATH_IMAGE008
其中,D PPFD.LSP 为植物的光饱和点,为使植物光合作用速率达到最大时的光子通量密度值,由植物种类决定; I DLE.FL 为补光灯的光照积分;I DLE.SL 为太阳光的光照积分;I DLE.min 为使植物品质和产量最优的日光照积分的最小值,由植物种类决定;由于,I DLE.FL I DLE.SL 分别由式(9)、式(10)表示,所以式(8)可写为式(11);
Figure 270131DEST_PATH_IMAGE009
进一步的,补光灯功率约束为:
Figure 643475DEST_PATH_IMAGE010
本发明所述的有益效果为:本发明提出利用农业温室提供电力系统备用,在满足植物补光需求的约束下给出了其备用能力的量化评估方法;本发明在评估农业温室提供备用的能力时考虑了植物的补光需求,通过仿真算例可知,本发明所述的方法可准确计算农业温室给电力系统提供运行备用的能力,其作为电力系统需求侧的可调资源,相比抽水蓄能电站与集中式电化学储能电站,农业温室的备用能力具有低投资成本、运行安全等优势。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解,下面根据具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明。
为简化计算,在考察一个调度周期的农业温室备用能力时,不妨对时间轴离散化,将一个调度周期T分为n个长度为ΔtΔt=T/n)的时段,冻结Δt内补光灯功率的时变性。
如图1所示,本发明所述的考虑补光需求的农业温室备用能力评估方法,包含如下步骤:
步骤1、给出农业温室电力系统备用能力的计算方法;
在运行调度中,农业温室电力系统可提供的备用容量分为上备用(降低用电功率)与下备用(增加用电功率)两类,计算方法如下:
Figure 780234DEST_PATH_IMAGE001
其中,p(k)为第k个时段单个补光灯的功率;R up.max (k)为第k个时段的最大上备用容量;R down.max (k)为第k个时段的最大下备用容量;。
步骤2、确定补光灯功率与光子通量密度的定量关系约束;
一盏灯的补光灯功率与灯具有效照射面积、灯具提供的光照度、灯具的发光功率、灯具的平均光效有关,补光灯功率与光子通量密度的定量关系约束如下:
Figure 606239DEST_PATH_IMAGE002
其中, s为一盏灯的有效照射面积(常数,与补光灯型号有关,单位m2);E FL (k)为第k个时段单个补光灯提供的光照度(单位W),
Figure 862646DEST_PATH_IMAGE011
D PPFD.FL (k)为第k 个时段补光灯的光合作用光子通量密度(单位μmol/m2/s),α FL 为补光灯光合作用光子通量 密度转换为光照度的转换系数(常数,由发光光谱决定);
Figure 90496DEST_PATH_IMAGE012
为灯具的发光效率;L E.av 为补光 灯的平均光效(常数,与补光灯型号有关,单位lm/W)。
步骤3、计算有效光照时长并给出植物有效光照时长约束;
为使植物的产量与品质最佳,每日的有效日照时长应大于植物生长的最佳日照时长;
Figure 409875DEST_PATH_IMAGE013
其中,m min 为适宜植物生长的最短光照时长;m max 为适宜植物生长的最长光照时长;λ VT (k)为第k个时段的总光照是否有效的(0,1)变量;将植物光子通量密度大于光补偿点(使植物开始进行光合作用的光子通量密度最小值)时认为有效光照,即λ VT (k)=1表示该时段总光照有效,λ VT (k)=0表示该时段总光照无效;λ VT (k)的取值如式(5)所示;λ VT.SL (k)为(0,1)变量,表示时段k太阳光光子通量密度是否大于植物光补偿点光照,λ VT.SL (k)的取值如式(6)所示。式(4)表示当太阳光有效光照时长小于适宜植物生长的最长光照时,叠加人工补光后总有效光照时长需控制在适宜植物生长的范围内;当太阳光有效光照时长大于适宜植物生长的最长光照时,此时无需人工补光,即使开启补光灯也只能在太阳光光照有效的时段开启;
Figure 723176DEST_PATH_IMAGE014
Figure 517694DEST_PATH_IMAGE015
其中,D PPFD.LCP 为植物的光补偿点(单位μmol/m2/s),由植物种类决定;D PPFD.SL (k)为第k个时段太阳光的光合作用光子通量密度(单位μmol/m2/s)。
步骤4、根据光子通量密度与日光照积分的关系给出植物光饱和点约束和光照需求约束;
日光照积分应在最有利植物生长的区间内,所以日光照积分应满足的约束为:
Figure 865630DEST_PATH_IMAGE016
其中,D PPFD.LSP 为植物的光饱和点,为使植物光合作用速率达到最大时的光子通量密度值,由植物种类决定(单位μmol/m2/s),光子通量密度超过光饱和点会引起光胁迫,将导致植物灼伤、花朵褪色等不利影响;I DLE.FL 为补光灯的光照积分(单位mol/m2/day);I DLE.SL 为太阳光的光照积分(单位mol/m2/day);I DLE.min 为使植物品质和产量最优的日光照积分的最小值(单位mol/m2/day),由植物种类决定;日光照积分为光子通量密度的积分,因此,I DLE.FL I DLE.SL 可分别由式(9)、式(10)表示,所以式(8)可写为式(10);
Figure 355911DEST_PATH_IMAGE017
步骤5、给出补光灯的功率约束;
补光灯受其自身技术参数的限制,运行过程中存在最大功率,补光的功率约束为:
Figure 156508DEST_PATH_IMAGE010
其中,P max 为补光灯功率最大值(单位W)。
将上述实施例所述考虑补光需求的农业温室电力系统备用评估方法应用于某单级补光灯参与电力系统的调度中,以某喜阳性植物为例的仿真算例的参数设置如表1,冬季某日太阳光的光子通量密度设置如表2。由表1可知,一日内适宜该植物生长的有效光照时长为14-16h;其中,表2给出了一日内太阳光的有效光照;因此,一日内补光灯可以灵活调节其功率的时间分布,这使得补光灯具备了为电力系统提供备用的能力。
约束条件为式(3)~式(12),根据式(1)、式(2)计算农业温室提供电力系统备用的能力。此时补光灯的功率曲线有多种选择,选取其中一组补光灯的功率曲线,其对应的可供电力系统调度的上、下备用容量结果如表3所示。
表1仿真算例参数设置
Figure 754717DEST_PATH_IMAGE018
表2 太阳光的光子通量密度设置
Figure 691580DEST_PATH_IMAGE019
表3 农业温室的电力系统备用能力
Figure 352762DEST_PATH_IMAGE020
综上所述,上述方法可以准确计算农业温室的备用能力。
以上所述仅为本发明的优选方案,并非作为对本发明的进一步限定,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.考虑补光需求的农业温室备用能力评估方法,其特征在于,所述方法的步骤为:
步骤1、将农业温室电力系统可提供的备用容量分为上备用和下备用,给出农业温室电力系统备用能力的计算方法;
步骤2、确定补光灯功率与光子通量密度的定量关系约束;
步骤3、计算植物有效光照时长并给出植物有效光照需求约束;
步骤4、根据光子通量密度与日光照积分的关系给出植物光饱和点约束;
步骤5、给出补光的功率约束。
2.根据权利要求1所述的考虑补光需求的农业温室备用能力评估方法,其特征在于,农业温室补光灯负荷的最大上、下备用容量的计算公式为:
Figure 541805DEST_PATH_IMAGE001
其中,R up.max (t)为时刻t的最大上备用容量;R down.max (t)为时刻t的最大下备用容量;p(t)为时刻t单个补光灯的功率;P max 为补光灯功率最大值。
3.根据权利要求2所述的考虑补光需求的农业温室备用能力评估方法,其特征在于,补光灯功率与光子通量密度的定量关系约束为:
Figure 334312DEST_PATH_IMAGE002
其中,s为一盏补光灯的有效照射面积;E FL (t)为时刻t的单个补光灯提供的光照度,
Figure 490880DEST_PATH_IMAGE003
D PPFD.FL (t)为时刻t补光灯光照的光合作用光子通量密度,
Figure 761456DEST_PATH_IMAGE004
为光子通量密度转换为光照度的转换系数;
Figure 949729DEST_PATH_IMAGE005
为灯具的发光效率;L E.av 为补光灯的平均光 效。
4.根据权利要求3所述的考虑补光需求的农业温室备用能力评估方法,其特征在于,植物有效光照时长约束为:
Figure 647558DEST_PATH_IMAGE006
式(4)表示当太阳光有效光照时长小于适宜植物生长的最长光照时,叠加人工补光后总有效光照时长需控制在适宜植物生长的范围内;当太阳光有效光照时长大于适宜植物生长的最长光照时,此时无需人工补光,即使开启补光灯也只能在太阳光光照有效的时刻开启;
m min 为适宜植物生长的最短光照时长;m max 为适宜植物生长的最长光照时长;λ VT (t)为表示时刻t的总光照是否有效的(0,1)变量,将植物光子通量密度大于光补偿点时认为有效光照,即λ VT (t)=1表示该时刻总光照有效,λ VT (t)=0表示该时刻总光照无效,λ VT (t)的取值如式(5)所示;λ VT.SL (t)为(0,1)变量,表示时刻t太阳光光子通量密度是否大于植物光补偿点光照,λ VT.SL (t)的取值如式(6)所示;
Figure 291422DEST_PATH_IMAGE007
Figure 365689DEST_PATH_IMAGE008
其中,D PPFD.LCP 为植物的光补偿点,为使植物开始进行光合作用的光子通量密度最小值,由植物种类决定;D PPFD.SL (t)为时刻t太阳光的光合作用光子通量密度。
5.根据权利要求4所述的考虑补光需求的农业温室备用能力评估方法,其特征在于,植物光饱和点约束和光照需求约束为:
Figure 408469DEST_PATH_IMAGE009
其中,D PPFD.LSP 为植物的光饱和点,为使植物光合作用速率达到最大时的光子通量密度值,由植物种类决定; I DLE.FL 为补光灯的光照积分;I DLE.SL 为太阳光的光照积分;I DLE.min 为使植物品质和产量最优的日光照积分的最小值,由植物种类决定;由于,I DLE.FL I DLE.SL 分别由式(9)、式(10)表示,所以式(8)可写为式(11):
Figure 277199DEST_PATH_IMAGE010
6.根据权利要求2所述的考虑补光需求的农业温室备用能力评估方法,其特征在于,补光灯功率约束为:
Figure 408359DEST_PATH_IMAGE011
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