CN117941639B - 一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统及控制方法，包括海洋牧场、海上风电场和浮动平台；海洋牧场包括卤虫养殖设备，以及根据养殖周期设置的依次连接的海水育苗设备、深水网箱、捕捞设备和运输船；浮动平台包括热泵、海水淡化设备、电解水设备、甲醇合成设备、制冰设备、增氧设备、自动投饵设备、捕捞设备和配电设备；根据养殖周期，海上风电场的出力由配电设备基于电能调度模型在季节时间尺度、日内昼夜时间尺度和短时时间尺度下运行不同电能分配策略为各设备供给所需能源，并有机联合各种资源，满足海洋牧场养殖过程的能耗需求，降低海洋牧场全生产周期的碳排放量，通过海洋牧场和海上风电的能量协同，减少电网调峰成本。
Description
技术领域
本发明涉及能源综合开发利用技术领域，更具体的说是涉及一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统及控制方法。
背景技术
目前，海上风电面临着开发成本高、出力波动大、电能传输困难等难题；另外，海洋牧场使用深水网箱养殖鱼类具有环境稳定，水体大，鱼类活动范围广，成活率高，饵料用量少等优点，但是海洋牧场生产实践中还存在养殖自然环境不可控、养殖区供电难、育苗能耗高等问题。
海上风电和海洋牧场作为海洋经济的重要组成部分，二者的融合发展是集约用海的重要新型产业模式与未来发展方向，但是现有的技术集中在海上风电和海洋牧场空间或结构上的融合，没有实现两者的功能融合。
因此，如何提供一种不仅仅在空间或结构上融合，还融合海洋牧场养殖周期和海上风电出力变化规律，进行海洋能源和资源的协同开发利用的能源系统，以便于促进海洋经济的发展是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统及控制方法以解决背景技术中提到的部分技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统，包括海洋牧场、海上风电场和浮动平台；
海洋牧场包括卤虫养殖设备，以及根据海洋牧场养殖周期设置的依次连接的海水育苗设备、深水网箱、捕捞设备和运输船；
浮动平台包括热泵、海水淡化设备、电解水设备、甲醇合成设备、制冰设备、增氧设备、自动投饵设备、捕捞设备和配电设备；
海上风电场通过配电设备分别与热泵、海水淡化设备、电解水设备、甲醇合成设备、制冰设备、增氧设备、自动投饵设备和捕捞设备连接，根据海洋牧场的养殖周期，海上风电场的出力由配电设备基于预设的电能调度模型在季节时间尺度、日内昼夜时间尺度和短时时间尺度下运行不同电能分配策略为各设备供给所需能源；
热泵分别与海水育苗设备、卤虫养殖设备和海水淡化设备连接；
海水淡化设备的浓盐水输出端口与卤虫养殖设备连接，卤虫养殖设备与海水育苗设备连接；
海水淡化设备的淡水输出端口分别与电解水设备和制冰设备连接；
电解水设备分别与甲醇合成设备、增氧设备和运输船连接；
深水网箱分别与增氧设备和自动投饵设备连接；
甲醇合成设备的甲醇输出端口和制冰设备的冰输出端口均与运输船连接。
优选的，海洋牧场养殖周期包括海水育苗期、深水网箱养殖期、捕捞期和运输期，分别配套海水育苗设备、深水网箱、捕捞设备和运输船。
优选的，根据海洋牧场的养殖周期，海上风电场的出力由配电设备基于预设的电能调度模型在季节时间尺度、日内昼夜时间尺度和短时时间尺度下运行不同电能分配策略为设备供电的具体内容为：
在季节时间尺度，海上风电场的春季、冬季出力高峰分别用于热泵、捕捞设备、制冰设备，对应于海洋牧场生产能耗高峰的海水育苗期、捕捞期和运输期；
在日内昼夜时间尺度，海上风电场的夜间出力高峰分别用于热泵、电解水设备和甲醇合成设备，海上风电场的日间出力仅用于自动投饵设备；
在短时时间尺度，海上风电场的短时出力高峰分别用于热泵和海水淡化设备。
电能调度模型具体为：
建立外送电能波动最小目标函数为：
其中，为调度周期，/>为海上风电出力，/>为电网负荷，/>为海洋牧场负荷；
其中，为调度周期内海上风电预测总出力，/>为调度周期内海洋牧场预测总负荷，/>为调度周期内电网需求总负荷，/>为时刻t的电网需求负荷，/>为海洋牧场日常负荷，/>为海洋牧场特定养殖期设备集合，包括供海水育苗设备和卤虫养殖设备的热泵，以及自动投饵设备、捕捞设备和制冰设备，/>指海洋牧场应急设备，即增氧设备，/>是0-1变量，设备/>在t时段运行时取1，不运行取0，/>为供海水淡化设备的热泵的负荷，为电解水设备负荷，/>为甲醇合成设备负荷；
在任一时刻t，各设备需要满足物质能量平衡约束和设备容量约束：
其中，、/>、/>、/>分别为时刻t海水淡化的淡水量、电解水设备电解的水量、甲醇合成设备合成的甲醇量、制冰设备制得的冰量，/>、/>、/>、/>分别为单位生成量所需的电能系数，/>、/>分别为时刻t电解水设备电解的氢气量、氧气量，/>、/>分别为电解水设备电解水制氢、制氧系数，/>为时刻t甲醇合成设备所需的二氧化碳量，/>、分别为甲醇合成设备合成氢气系数、二氧化碳系数，/>为时刻t上一时刻的淡水储水量，/>为淡水最大容量，/>为时刻t制冰设备用水量，/>为时刻t上一时刻的储O2量，/>为储O2最大容量，/>为时刻t用氧量，/>为时刻t上一时刻的储CO2量，/>为储CO2最大容量；
在物质能量平衡约束和设备容量约束条件下，求解电能调度模型的外送电能波动最小目标函数，获得电能分配策略为设备供电。
优选的，海洋牧场还包括海藻养殖设备，海藻养殖设备与卤虫养殖设备连接；
浮动平台还包括O2储罐和CO2储罐；
电解水设备通过O2储罐分别与增氧设备和运输船连接；O2储罐的氧气输出端口分别与增氧设备和运输船的氧气输入端口连接；
CO2储罐的二氧化碳输出端口分别与海藻养殖设备和甲醇合成设备连接。
优选的，所述的一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统，还包括饵料箱和淡水箱；
饵料箱与自动投饵设备连接；
海水淡化设备的淡水输出端口通过淡水箱分别与电解水设备和制冰设备连接；
浮动平台设在淡水箱和饵料箱上方；淡水箱呈环形布置在饵料箱外侧，且位于迎波浪方向上深水网箱的前方；饵料箱和淡水箱的总重量保持稳定。
一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统的控制方法，基于所述的一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统，包括：
海上风电场由配电设备基于预设的电能调度模型在季节时间尺度、日内昼夜时间尺度和短时时间尺度下运行不同电能分配策略提供海洋牧场养殖周期所需能量；
海上风电场将风能转化为电能，电能分别传输到热泵、海水淡化设备、电解水设备、甲醇合成设备、制冰设备、增氧设备、自动投饵设备和捕捞设备，多余的电能传输到电网；
热泵将电能转化为热能，热能分别传输到海水育苗设备、卤虫养殖设备、海水淡化设备；
海水进入海水淡化设备，经淡化后的浓盐水和淡水分别传输到卤虫养殖设备和淡水箱；浓盐水为卤虫提供养殖环境；淡水箱的淡水分别传输到电解水设备和制冰设备；
卤虫养殖设备养殖的卤虫作为饵料喂养养殖品种幼苗，养殖品种幼苗成长至一定规格后作为养殖品种成长品进入深水网箱养殖；
电解水设备将淡水分解为氢气和氧气，氢气传输到甲醇合成设备，氧气分别传输到增氧设备和运输船；
增氧设备为深水网箱里的养殖品种成长品提供充足的氧气，氧气为运输船提供保鲜介质，自动投饵设备为深水网箱的养殖品种成长品提供饵料，养殖品种成长品成长至一定规格后作为养殖品种成品进行捕捞；
甲醇合成设备将氢气和二氧化碳合成为甲醇传输到运输船，作为燃料动力使用，多余的甲醇运输至陆地；
制冰设备将淡水制成冰，冰传输到运输船作为保鲜介质；
养殖品种成品通过运输船运输至陆地。
优选的，海上风电场由配电设备基于预设的电能调度模型在季节时间尺度、日内昼夜时间尺度和短时时间尺度下运行不同电能分配策略提供海洋牧场养殖周期所需能量的具体内容为：
在季节时间尺度，海上风电场的春季、冬季出力高峰分别用于热泵、捕捞设备、制冰设备，对应于海洋牧场生产能耗高峰的海水育苗期、捕捞期和运输期；
在日内昼夜时间尺度，海上风电场的夜间出力高峰分别用于热泵、电解水设备和甲醇合成设备，海上风电场的日间出力仅用于自动投饵设备；
在短时时间尺度，海上风电场的短时出力高峰分别用于热泵和海水淡化设备。
优选的，电能调度模型的具体内容为：
建立外送电能波动最小目标函数；
结合调度周期内海上风电预测总出力、海洋牧场和电网需求预测总负荷，根据电网需求负荷曲线计算逐时段电网负荷；
以物质能量平衡、设备容量为约束条件，建立数学模型；
求解电能调度模型，得到最优电能调度方案；
配电设备根据最优电能调度方案对设备用能进行调度。
优选的，所述的一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统的控制方法，还包括：
经淡化后的淡水通过淡水箱分别传输到电解水设备和制冰设备；
电解水设备分解的氧气通过O2储罐分别传输到增氧设备和运输船；
通过CO2储罐分别为海藻养殖设备和甲醇合成设备传输所需二氧化碳，海藻养殖设备为海藻提供养殖环境，海藻养殖设备养殖的海藻作为饵料喂养卤虫；
通过饵料箱为自动投饵设备提供深水网箱的养殖品种成长品的饵料。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统及控制方法，具有以下优点：
通过海洋牧场和海上风电的功能融合，由海上风电为海洋牧场提供养殖过程的电、热、冷能，为海洋牧场的海水育苗和卤虫养殖提供热量维持适宜温度；为深水网箱养殖提供自动投饵和增氧，减少自然环境对养殖过程的影响；为捕捞设备提供电能；为运输船提供甲醇动力燃料和海产品保鲜需要的冰、O2等资源，降低海洋牧场全生产周期的碳排放量；
通过海洋牧场和海上风电的能量协同，将海上风电出力高峰期的电能用于海洋牧场高能耗设备，并利用富余的电能生产更多的甲醇，使海上风电出力上网部分匹配电网负荷需求，减少电网调峰成本；
通过海洋牧场和海上风电的结构耦合，实现能源系统众多设备在浮动平台的稳定，减少海上平台桩架建设成本；实现淡水箱作为波浪的第一道屏障，减少深水网箱中因海水流动造成的网箱容积损失；
通过能源系统内部物质循环利用，减少海洋牧场和海上风能利用各环节的重复投资。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统示意图；
图2为本发明提供的浮动平台、饵料箱以及淡水箱的布置示意图；
图3为本发明提供的深水网箱、饵料箱以及淡水箱的布置示意图；
图4为本发明提供的夏季电能调度结果示意图；
图5为本发明提供的冬季电能调度结果示意图；
图6为本发明提供的电能调度模型的控制方法示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统，如图1，包括海洋牧场、海上风电场和浮动平台；
海洋牧场包括卤虫养殖设备，以及根据海洋牧场养殖周期设置的依次连接的海水育苗设备、深水网箱、捕捞设备和运输船；
浮动平台包括热泵、海水淡化设备、电解水设备、甲醇合成设备、制冰设备、增氧设备、自动投饵设备、捕捞设备和配电设备；
海上风电场通过配电设备分别与热泵、海水淡化设备、电解水设备、甲醇合成设备、制冰设备、增氧设备、自动投饵设备和捕捞设备连接，根据海洋牧场的养殖周期，海上风电场的出力由配电设备基于预设的电能调度模型在季节时间尺度、日内昼夜时间尺度和短时时间尺度下运行不同电能分配策略为各设备供给所需能源；
热泵产生的热量分别与海水育苗设备、卤虫养殖设备和海水淡化设备的热量输入端口连接；
海水淡化设备的海水输入端口连接到海水中，海水淡化设备的浓盐水输出端口与卤虫养殖设备的浓盐水输入端口连接，卤虫养殖设备与海水育苗设备连接；
海水淡化设备的淡水输出端口分别与电解水设备和制冰设备的淡水输入端口连接；
电解水设备分别与甲醇合成设备、增氧设备和运输船连接；
深水网箱分别与增氧设备和自动投饵设备连接；
甲醇合成设备的甲醇输出端口和制冰设备的冰输出端口均与运输船连接。
为了进一步实施上述技术方案，海洋牧场养殖周期包括海水育苗期、深水网箱养殖期、捕捞期和运输期，分别配套海水育苗设备、深水网箱、捕捞设备和运输船。
为了进一步实施上述技术方案，根据海洋牧场的养殖周期，海上风电场的出力由配电设备基于预设的电能调度模型在季节时间尺度、日内昼夜时间尺度和短时时间尺度下运行不同电能分配策略为设备供电的具体内容为：
在季节时间尺度，海上风电场出力呈现季节性波动，海上风电场的春季、冬季出力高峰分别用于热泵、捕捞设备、制冰设备，对应于海洋牧场生产能耗高峰的海水育苗期、捕捞期和运输期；
在日内昼夜时间尺度，海上风电场出力呈现昼夜波动，海上风电场的夜间出力高峰分别用于热泵、电解水设备和甲醇合成设备，海上风电场的日间出力仅用于自动投饵设备；
在短时时间尺度，海上风电场的短时出力高峰分别用于热泵和海水淡化设备，本实施例以15min为调度时段。
在本实施例中，配电设备还与电网连接，将多余的电能传输到电网。
电能调度模型具体为：
建立外送电能波动最小目标函数为：
其中，为调度周期，/>为海上风电出力，/>为电网负荷，/>为海洋牧场负荷；
其中，为调度周期内海上风电预测总出力，/>为调度周期内海洋牧场预测总负荷，/>为调度周期内电网需求总负荷，/>为时刻t的电网需求负荷，/>为海洋牧场日常负荷，/>为海洋牧场特定养殖期设备集合，包括供海水育苗设备和卤虫养殖设备的热泵，以及自动投饵设备、捕捞设备和制冰设备，/>指海洋牧场应急设备，即增氧设备，/>是0-1变量，设备/>在t时段运行时取1，不运行取0，/>为供海水淡化设备的热泵的负荷，为电解水设备负荷，/>为甲醇合成设备负荷；
在任一时刻t，各设备需要满足物质能量平衡约束和设备容量约束：
其中，、/>、/>、/>分别为时刻t海水淡化的淡水量、电解水设备电解的水量、甲醇合成设备合成的甲醇量、制冰设备制得的冰量，/>、/>、/>、/>分别为单位生成量所需的电能系数，/>、/>分别为时刻t电解水设备电解的氢气量、氧气量，/>、/>分别为电解水设备电解水制氢、制氧系数，/>为时刻t甲醇合成设备所需的二氧化碳量，/>、分别为甲醇合成设备合成氢气系数、二氧化碳系数，/>为时刻t上一时刻的淡水储水量，/>为淡水最大容量，/>为时刻t制冰设备用水量，/>为时刻t上一时刻的储O2量，/>为储O2最大容量，/>为时刻t用氧量，/>为时刻t上一时刻的储CO2量，/>为储CO2最大容量；
在物质能量平衡约束和设备容量约束条件下，求解电能调度模型的外送电能波动最小目标函数，获得电能分配策略为设备供电。
以位于广东省南部海域的海洋牧场为例，养殖的品种是金鲳鱼，海上风电是漂浮式风机，沿海风电场风能资源分布有明显的季节性差异，冬季风能较为丰富，风机出力大，夏季平均出力相对较小，而电力系统负荷特性一般为夏季高、冬季低；根据金鲳鱼的生长周期，金鲳鱼从2月开始催产孵化，经海水育苗，4-5月份放鱼苗进深水网箱，生长至秋冬季会进行集中捕捞。
海水育苗可以保证水质干净，还可以避免鱼苗从陆地长距离运输到海洋的损伤，但是对温度条件要求高，需要稳定可靠的电力供应。
以3000m³水体育苗为例，90天的育苗期耗电量约10万kWh；深水网箱养殖期间，电力供应主要用于自动投饵设备，在海上环境变化造成缺氧时需要通过增氧设备及时补充氧量，自动投饵设备和增氧设备用能较少；捕捞季节较为集中，单个深海网箱成鱼一次产量可达10万斤，年产400万公斤的海洋牧场平均日捕捞量约10万公斤，目前捕捞和运输过程所需能量由捕捞船的柴油发动机提供，过程中排放大量CO2和污染物，捕捞船运输至陆地的过程需要对成鱼进行充氧保鲜或冰块保鲜，由于氧气和冰块用量大，制氧设备和制冰设备的生产能耗较大。
由海上风电为海水育苗设备、捕捞设备、运输船提供电能或产品可以减少渔业的整体碳排放，因此，金鲳鱼养殖周期的能耗需求与海上风电的出力高峰在季节上对应，可实现海洋牧场内生物资源与风力资源周年持续利用生产时间耦合；
海上风电出力日变化曲线呈现反调峰特性，增大了电网消纳海上风电的难度，通过海水淡化设备、电解水设备、甲醇合成设备的用能调度，可以消纳海上风电的波动电能，根据配电设备执行运行策略，海水淡化设备生产淡水，淡水经电解水设备生成氢气，氢气和CO2经甲醇合成设备合成甲醇，设备之间存在工序衔接；
海上风电短时出力波动时，富余的电能由海水淡化设备消纳，由淡水箱储存多余的淡水。
为了进一步实施上述技术方案，海洋牧场还包括海藻养殖设备，海藻养殖设备与卤虫养殖设备连接；
浮动平台还包括O2储罐和CO2储罐；
电解水设备通过O2储罐分别与增氧设备和运输船连接；O2储罐的氧气输出端口分别与增氧设备和运输船的氧气输入端口连接；
CO2储罐的二氧化碳输出端口分别与海藻养殖设备和甲醇合成设备连接。
在实际应用中，卤虫为海水型卤虫，是优质的鱼苗开口饵料，海水淡化设备产生的浓盐水可以为卤虫提供浓盐度环境，而且海水淡化工艺过程中的过滤处理消除了海水中大部分生物及其幼体和孢子，为卤虫摒除了天敌；海藻是优质的卤虫养殖饵料，而且能吸收CO2用于快速生长，具有碳汇作用。
为了进一步实施上述技术方案，一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统，还包括饵料箱和淡水箱；
饵料箱与自动投饵设备连接；
海水淡化设备的淡水输出端口通过淡水箱分别与电解水设备和制冰设备连接；
如图2和图3，浮动平台设在淡水箱和饵料箱上方；淡水箱呈环形布置在饵料箱外侧，且位于迎波浪方向上深水网箱的前方；饵料箱和淡水箱的总重量保持稳定。
浮动平台的设备众多，在海洋环境中如果采用固定式结构则需要建设牢固且具防腐功能的桩架，这将会极大地增加成本；采用漂浮式结构可以减少成本，饵料箱和淡水箱巨大，且内部储存物不会总是处于装满状态，适合用来为浮动平台提供浮力。
以年产400万公斤的平均日消耗饵料12吨的海洋牧场为例：
使用自动投饵设备则需要储存饵料，大量的饵料重量堆积，需要建设巨大的饵料箱才能保持浮在海上，而饵料随着养殖的进行不断减少，饵料箱的空间不仅浪费且影响饵料箱稳定性；一台3MW的海上风机用5%的弃风量每日最多可生产80吨淡水，淡水随着海上风电的能量转换而增加；将淡水箱呈环形布置在饵料箱外侧，淡水箱增加的重量，与饵料箱减少的重量抵消，饵料箱和淡水箱的总重量在一定范围内保持稳定。
如果海水流速较快，深水网箱的网衣会漂浮不定且向内聚拢，导致网箱的养殖空间变小，水产活动范围变小，水中含氧量下降，水质下降，进而诱发各类疾病的发生；将淡水箱位于迎波浪方向上深水网箱的前方，淡水箱可作为来流的第一道屏障，减少深水网箱中因海水流动造成的网箱容积损失。
在实际应用中，系统中的电能以及信号通过电缆输送，系统中的热量通过换热器进行传输，系统中的气体和液体通过管道输送，系统中的冰通过传送带输送。
一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统的控制方法，基于一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统，包括：
海上风电场由配电设备基于预设的电能调度模型在季节时间尺度、日内昼夜时间尺度和短时时间尺度下运行不同电能分配策略提供海洋牧场养殖周期所需能量；
海上风电场将风能转化为电能，电能分别传输到热泵、海水淡化设备、电解水设备、甲醇合成设备、制冰设备、增氧设备、自动投饵设备和捕捞设备，多余的电能传输到电网；
热泵将电能转化为热能，热能分别传输到海水育苗设备、卤虫养殖设备、海水淡化设备，热泵为海水源热泵；
海水进入海水淡化设备，经淡化后的浓盐水和淡水分别传输到卤虫养殖设备和淡水箱；浓盐水为卤虫提供养殖环境；淡水箱的淡水分别传输到电解水设备和制冰设备；
在实际应用中，海水淡化设备采用多级闪蒸、多效蒸馏、蒸汽压缩、膜分离和电渗析技术；
卤虫养殖设备养殖的卤虫作为饵料喂养养殖品种幼苗，养殖品种幼苗成长至一定规格后作为养殖品种成长品进入深水网箱养殖；
电解水设备将淡水分解为氢气和氧气，氢气传输到甲醇合成设备，氧气分别传输到增氧设备和运输船；
在实际应用中，电解水设备采用碱性电解水、质子交换膜电解水或高温固体氧化物电解水技术；
增氧设备为深水网箱里的养殖品种成长品提供充足的氧气，氧气为运输船提供保鲜介质，自动投饵设备为深水网箱的养殖品种成长品提供饵料，养殖品种成长品成长至一定规格后作为养殖品种成品进行捕捞；
甲醇合成设备将氢气和二氧化碳合成为甲醇传输到运输船，作为燃料动力使用，多余的甲醇运输至陆地；
制冰设备将淡水制成冰，冰传输到运输船作为保鲜介质；
养殖品种成品通过运输船运输至陆地。
为了进一步实施上述技术方案，海上风电场由配电设备基于预设的电能调度模型在季节时间尺度、日内昼夜时间尺度和短时时间尺度下运行不同电能分配策略提供海洋牧场养殖周期所需能量的具体内容为：
在季节时间尺度，海上风电场的春季、冬季出力高峰分别用于热泵、捕捞设备、制冰设备，对应于海洋牧场生产能耗高峰的海水育苗期、捕捞期和运输期；
在日内昼夜时间尺度，海上风电场的夜间出力高峰分别用于热泵、电解水设备和甲醇合成设备，海上风电场的日间出力仅用于自动投饵设备；
在短时时间尺度，海上风电场的短时出力高峰分别用于热泵和海水淡化设备；
如图4所示为夏季电能调度结果，如图5所示为冬季电能调度结果。
为了进一步实施上述技术方案，如图6，电能调度模型的具体内容为：
建立外送电能波动最小目标函数；
结合调度周期内海上风电预测总出力、海洋牧场和电网需求预测总负荷，根据电网需求负荷曲线计算逐时段电网负荷；
以物质能量平衡、设备容量为约束条件，建立数学模型；
求解电能调度模型，得到最优电能调度方案；
配电设备根据最优电能调度方案对设备用能进行调度。
为了进一步实施上述技术方案，一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统的控制方法，还包括：
经淡化后的淡水通过淡水箱分别传输到电解水设备和制冰设备；
电解水设备分解的氧气通过O2储罐分别传输到增氧设备和运输船；
通过CO2储罐分别为海藻养殖设备和甲醇合成设备传输所需二氧化碳，海藻养殖设备为海藻提供养殖环境，海藻养殖设备养殖的海藻作为饵料喂养卤虫；
在本实施例中，CO2储罐的CO2来自于化石燃料利用后捕集或空气中捕集；
通过饵料箱为自动投饵设备提供深水网箱的养殖品种成长品的饵料。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统，其特征在于，包括海洋牧场、海上风电场和浮动平台；
海洋牧场包括卤虫养殖设备，以及根据海洋牧场养殖周期设置的依次连接的海水育苗设备、深水网箱、捕捞设备和运输船；
浮动平台包括热泵、海水淡化设备、电解水设备、甲醇合成设备、制冰设备、增氧设备、自动投饵设备、捕捞设备和配电设备；
海上风电场通过配电设备分别与热泵、海水淡化设备、电解水设备、甲醇合成设备、制冰设备、增氧设备、自动投饵设备和捕捞设备连接，根据海洋牧场的养殖周期，海上风电场的出力由配电设备基于预设的电能调度模型在季节时间尺度、日内昼夜时间尺度和短时时间尺度下运行不同电能分配策略为各设备供给所需能源；
热泵分别与海水育苗设备、卤虫养殖设备和海水淡化设备连接；
海水淡化设备的浓盐水输出端口与卤虫养殖设备连接，卤虫养殖设备与海水育苗设备连接；
海水淡化设备的淡水输出端口分别与电解水设备和制冰设备连接；
电解水设备分别与甲醇合成设备、增氧设备和运输船连接；
深水网箱分别与增氧设备和自动投饵设备连接；
甲醇合成设备的甲醇输出端口和制冰设备的冰输出端口均与运输船连接；
电能调度模型具体为：
建立外送电能波动最小目标函数为：
其中，T为调度周期，为海上风电出力，/>为电网负荷，/>为海洋牧场负荷；
其中，为调度周期内海上风电预测总出力，/>为调度周期内海洋牧场预测总负荷，/>为调度周期内电网需求总负荷，/>为时刻t的电网需求负荷，/>为海洋牧场日常负荷，Ωs为海洋牧场特定养殖期设备集合，包括供海水育苗设备和卤虫养殖设备的热泵，以及自动投饵设备、捕捞设备和制冰设备，Ωu指海洋牧场应急设备，即增氧设备，θv是0-1变量，设备ν在t时段运行时取1，不运行取0，/>为供海水淡化设备的热泵的负荷，/>为电解水设备负荷，/>为甲醇合成设备负荷；
在任一时刻t，各设备需要满足物质能量平衡约束和设备容量约束：
其中，分别为时刻t海水淡化的淡水量、电解水设备电解的水量、甲醇合成设备合成的甲醇量、制冰设备制得的冰量，ηw、ηEL、ηM、ηice分别为单位生成量所需的电能系数，/>分别为时刻t电解水设备电解的氢气量、氧气量，α1、α1分别为电解水设备电解水制氢、制氧系数，/>为时刻t甲醇合成设备所需的二氧化碳量，β1、β2分别为甲醇合成设备合成氢气系数、二氧化碳系数，/>为时刻t上一时刻的淡水储水量，/>为淡水最大容量，/>为时刻t制冰设备用水量，/>为时刻t上一时刻的储O2量，/>为储O2最大容量，/>为时刻t用氧量，/>为时刻t上一时刻的储CO2量，/>为储CO2最大容量；
在物质能量平衡约束和设备容量约束条件下，求解电能调度模型的外送电能波动最小目标函数，获得电能分配策略为设备供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统，其特征在于，海洋牧场养殖周期包括海水育苗期、深水网箱养殖期、捕捞期和运输期，分别配套海水育苗设备、深水网箱、捕捞设备和运输船。
3.根据权利要求2所述的一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统，其特征在于，根据海洋牧场的养殖周期，海上风电场的出力由配电设备基于预设的电能调度模型在季节时间尺度、日内昼夜时间尺度和短时时间尺度下运行不同电能分配策略为设备供电的具体内容为：
在季节时间尺度，海上风电场的春季、冬季出力高峰分别用于热泵、捕捞设备、制冰设备，对应于海洋牧场生产能耗高峰的海水育苗期、捕捞期和运输期；
在日内昼夜时间尺度，海上风电场的夜间出力高峰分别用于热泵、电解水设备和甲醇合成设备，海上风电场的日间出力仅用于自动投饵设备；
在短时时间尺度，海上风电场的短时出力高峰分别用于热泵和海水淡化设备。
4.根据权利要求3所述的一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统，其特征在于，海洋牧场还包括海藻养殖设备，海藻养殖设备与卤虫养殖设备连接；
浮动平台还包括O2储罐和CO2储罐；
电解水设备通过O2储罐分别与增氧设备和运输船连接；O2储罐的氧气输出端口分别与增氧设备和运输船的氧气输入端口连接；
CO2储罐的二氧化碳输出端口分别与海藻养殖设备和甲醇合成设备连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统，其特征在于，还包括饵料箱和淡水箱；
饵料箱与自动投饵设备连接；
海水淡化设备的淡水输出端口通过淡水箱分别与电解水设备和制冰设备连接；
浮动平台设在淡水箱和饵料箱上方；淡水箱呈环形布置在饵料箱外侧，且位于迎波浪方向上深水网箱的前方；饵料箱和淡水箱的总重量保持稳定。
6.一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统的控制方法，其特征在于，基于权利要求5所述的一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统，包括：
海上风电场由配电设备基于预设的电能调度模型在季节时间尺度、日内昼夜时间尺度和短时时间尺度下运行不同电能分配策略提供海洋牧场养殖周期所需能量；
海上风电场将风能转化为电能，电能分别传输到热泵、海水淡化设备、电解水设备、甲醇合成设备、制冰设备、增氧设备、自动投饵设备和捕捞设备，多余的电能传输到电网；
热泵将电能转化为热能，热能分别传输到海水育苗设备、卤虫养殖设备、海水淡化设备；
海水进入海水淡化设备，经淡化后的浓盐水和淡水分别传输到卤虫养殖设备和淡水箱；浓盐水为卤虫提供养殖环境；淡水箱的淡水分别传输到电解水设备和制冰设备；
卤虫养殖设备养殖的卤虫作为饵料喂养养殖品种幼苗，养殖品种幼苗成长至一定规格后作为养殖品种成长品进入深水网箱养殖；
电解水设备将淡水分解为氢气和氧气，氢气传输到甲醇合成设备，氧气分别传输到增氧设备和运输船；
增氧设备为深水网箱里的养殖品种成长品提供充足的氧气，氧气为运输船提供保鲜介质，自动投饵设备为深水网箱的养殖品种成长品提供饵料，养殖品种成长品成长至一定规格后作为养殖品种成品进行捕捞；
甲醇合成设备将氢气和二氧化碳合成为甲醇传输到运输船，作为燃料动力使用，多余的甲醇运输至陆地；
制冰设备将淡水制成冰，冰传输到运输船作为保鲜介质；
养殖品种成品通过运输船运输至陆地。
7.根据权利要求6所述的一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统的控制方法，其特征在于，海上风电场由配电设备基于预设的电能调度模型在季节时间尺度、日内昼夜时间尺度和短时时间尺度下运行不同电能分配策略提供海洋牧场养殖周期所需能量的具体内容为：
在季节时间尺度，海上风电场的春季、冬季出力高峰分别用于热泵、捕捞设备、制冰设备，对应于海洋牧场生产能耗高峰的海水育苗期、捕捞期和运输期；
在日内昼夜时间尺度，海上风电场的夜间出力高峰分别用于热泵、电解水设备和甲醇合成设备，海上风电场的日间出力仅用于自动投饵设备；
在短时时间尺度，海上风电场的短时出力高峰分别用于热泵和海水淡化设备。
8.根据权利要求7所述的一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统的控制方法，其特征在于，电能调度模型的具体内容为：
建立外送电能波动最小目标函数；
结合调度周期内海上风电预测总出力、海洋牧场和电网需求预测总负荷，根据电网需求负荷曲线计算逐时段电网负荷；
以物质能量平衡、设备容量为约束条件，建立数学模型；
求解电能调度模型，得到最优电能调度方案；
配电设备根据最优电能调度方案对设备用能进行调度。
9.根据权利要求8所述的一种基于海洋牧场与海上风电融合的能源系统的控制方法，其特征在于，还包括：
经淡化后的淡水通过淡水箱分别传输到电解水设备和制冰设备；
电解水设备分解的氧气通过O2储罐分别传输到增氧设备和运输船；
通过CO2储罐分别为海藻养殖设备和甲醇合成设备传输所需二氧化碳，海藻养殖设备为海藻提供养殖环境，海藻养殖设备养殖的海藻作为饵料喂养卤虫；
通过饵料箱为自动投饵设备提供深水网箱的养殖品种成长品的饵料。
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| CN117941639A (zh) | 2024-04-30 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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