一种基于负荷侧需求响应的工厂化鱼菜共生系统优化调度方法

本发明涉及负荷侧优化调度领域，具体说是一种基于负荷侧需求响应的工厂化鱼菜共生系统优化调度方法。

背景技术：

1、中国是全球水产养殖第一大国，该产业已成为中国农业经济的重要组成部分，具有巨大的发展潜力和经济效益。近年来，中国明确了渔业发展目标，提出了“提质增效、减量增收、绿色发展、富裕渔民”的发展方向，并强调继续深化渔业供给侧结构性改革，实现高质量发展。智能鱼菜共生系统已被证明是一种自我可持续、具有成本效益和生态友好的城市农业耕作方式，有助于实现中国粮食生产多样性与可持续发展目标。

2、工厂化鱼菜共生系统设备种类多，现阶段大多数用电管理还处于粗放式管理模式，存在供能形式单一，能耗高的推广瓶颈，鲜少有人关注此系统整体能耗优化节能。而通过改善工厂化鱼菜共生供能系统和负荷侧需求响应控制不仅可以解决供能形式单一的问题，还可以降低能耗，对设备精细化管控，形成绿色高效养殖模式。

3、目前，现有的鱼菜共生系统节能方面的学术研究主要采用的是能量动态建模方法，主要在两方面：选取系统中的个别设备建模研究和对水分、营养物质能量平衡建模研究，从而验证节能策略。选取系统中的个别设备建模研究集中在温室小气候控制以及循环水加热相关设备的的节能优化；该方法节能方式较为单一，整体运行效率提升还有很大空间并未挖掘。对水分、营养物质能量平衡建模研究则评估能量需求，获得具体的养殖管理策略(日粮成分、饲喂率、收获时间等的有效决策)和可再生能源供电方案；此类建模对象注重整体的能量研究，衍生节约资源方案，选取的决策变量偏向于养殖过程管理。现有研究缺乏系统整体电能消耗优化的负荷管理策略研究。

4、此外，在实际工厂化鱼菜共生系统建设中，光伏发电的安装容量也在增加，可再生能源的出力具有不确定性，多种设备节能措施耦合效果难以估量，因而如何构建能源系统和负荷协同优化模型，获得成体系的减少电能消耗方案对于形成绿色高效的鱼菜共生系统具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于负荷侧需求响应的工厂化鱼菜共生系统优化调度方法。该方法最大限度利用鱼菜共生系统负荷数据信息，理清负荷能耗特性；不仅考虑鱼菜生理特性约束，而且联合可再生能源发电的能源系统，建立协同优化动态模型；进一步节省电能消耗，实现清洁用能、高效养殖。

2、为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种基于负荷侧需求响应的工厂化鱼菜共生系统优化调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、步骤1，根据工厂化鱼菜共生系统设备工况信息分析数据，进行基本负荷分类能耗建模和负荷能耗分析建模；

5、所述基本负荷分类包括：持续性运行负荷、间隔循环运行负荷和固定时间段运行负荷；

6、步骤2，建立光伏储能系统模型，包括光伏系统建模和储能系统建模；

7、步骤3，在步骤1的基础上，针对系统负荷能耗特点，进行冷负荷需求响应建模、热负荷需求响应建模和电负荷需求响应建模；

8、步骤4，联合步骤1负荷基础能耗模型、步骤2光伏储能模型、步骤3负荷需求响应模型，利用系统负荷基本信息以及鱼菜生理特性耦合关系，构建计及经济性和适宜性的鱼菜共生系统协同优化模型；

9、步骤5，将步骤4得到的模型应用于工厂化鱼菜共生系统能耗优化管理，进行多场景分析(一年四季典型日的能耗优化场景进行敏感性分析)。

10、在上述方案的基础上，步骤1的具体步骤为：

11、步骤1-1，收集工厂化鱼菜共生系统数据，上述数据包括设备参数、实际运行工况信息、温室尺寸、建材信息；

12、步骤1-2，根据步骤1-1收集的数据，建立持续性负荷能耗模型、间隔循环运行负荷能耗模型和固定时间段运行负荷能耗模型：

13、持续性负荷能耗模型：

14、

15、间隔循环运行负荷能耗模型：

16、

17、固定时间段运行负荷能耗模型：

18、

19、式中tistart、tiend分别为负荷i开启时间和关闭时间，si(t)为负荷i在t时刻开关状态(其值0为关闭，1为开启)，pi，t为负荷i在t时刻消耗的电能，pirp为负荷i的额定功率，mi为负荷i的个数，δt为时间步长；式(2)分别为负荷i第j个循环的开启时间和关闭时间，di为循环间隔时间；式(3)分别为负荷i第j个开启时间和关闭时间；

20、步骤1-3，根据步骤1-2得到的基本负荷分类能耗模型，对负荷能耗进行分析建模：

21、

22、

23、

24、式中，ptotal，t为鱼菜共生系统t时刻总能耗，wtotal为规划周期内的总电能消耗，ηi为负荷能耗贡献率，k为负荷个数，n为整个调度周期内的总步长数。

25、在上述方案的基础上，步骤2的具体步骤为：

26、步骤2-1，进行光伏系统建模：

27、

28、上式中，p(t)为t时刻光伏发电功率，p*、g*分别是标准测试条件下的最大功率和全球辐照度，g(t)为t时刻全球辐照度，tf是热因子，sf是光谱因子；

29、步骤2-2，进行储能系统建模：

30、当电池充电时：

31、

32、当电池放电时：

33、

34、式中，和分别为t和t-1时刻电池的荷电状态soc，ptes，ch为电池充电功率，ptes，dis为电池放电功率，ηech为电池充电效率，ηedis为电池放电效率，μes为电池的自放电率，qes为电池安装容量，δt为时间步长。

35、在上述方案的基础上，步骤3的具体步骤为：

36、步骤3-1，冷负荷实时动态模型为：

37、

38、

39、式中，为温室室内温度在时间步长内升高的热能，q1(t)为t时刻经外墙、门窗等围护结构传热，q2(t)为t时刻地面传热，q3(t)为t时刻温室室内外空气交换热，q4(t)为t时刻长波辐射，qs(t)为t时刻太阳热辐射，qg(t)为t时刻鱼缸水体与温室空气的热能交换；k为地面或地面以上不同围护结构传热系数，f为地面或围护结构面积，tindoor(t)为温室在t时刻室内温度，toutside(t)为t时刻室外温度；σk为第k区计算点地面传热系数，bk为第k区计算点面积；nc为日光温室所分的区域个数；v为温室空气体积，n为每小时换气次数，kf为风力因子，可根据风速进行取值；ε1辐射率，范围在0到1之间，σ1是斯特藩-玻尔兹曼常数，a1表示物体的表面积；ac为覆盖面积，r(t)为t时刻辐照度，τa为透光率；α为散热系数，twater(t)为t时刻水体表面温度，f为水气接触面积，β为蒸发系数，p″v为水面薄饱和层的蒸汽压力，pv为湿空气中的水蒸汽分压力，ε为黑度；

40、温室风机制冷时，风机在时间步长内制冷量为：

41、

42、负压式湿帘风机系统制冷时，负压式湿帘风机在时间步长内制冷量为：

43、

44、上两式中，为空气的质量流量，γ为水蒸发潜热，为风机额定功率，copfan为风机性能系数值；ρa、分别为水的汽化潜热和空气的体积流量；δsh表示蒸发冷却垫进口与出口的空气比湿度(又称湿度比)之差，shindoor(t)、shoutside(t)分别为t时刻蒸发冷却垫进口与出口的空气比湿度；

45、建立控制模型：

46、

47、式中，为时间步长内室内温度变化量，mair为温室空气质量；c为空气定压比热容，1005.4j/(kg·k)；分别为t时刻湿帘风机系统和风机的开关状态量，其值0为关闭，1为开启；

48、控制策略为：

49、

50、

51、式中，toutdoor(t)为t时刻外界温度，tset1为室外设置临界温度1，tindoor为室内温度，tset2为室内设置临界温度2，tdi，tndoor为温度设定裕度，pcool(t)为制冷负荷t时刻消耗的电能，为湿帘风机系统的额定功率，为风机额定功率，δt为时间步长；

52、步骤3-2，温室热负荷动态控制模型为：

53、

54、

55、

56、

57、式中，qg1(t)为鱼缸水体与温室空气的热能交换，和分别代表温室加热器(例如空气源热泵等加热设备)在时间步长内的制热量及室内时间步长内的热能损失；mdot为热空气流速；theater(t)为t时刻热源吹出空气温度，为t时刻温室热源开关状态量，0为关闭，1为开启；tset，indoor为室内设定温度，tdi，indoor为温度设定裕度；

58、鱼缸内水体加热热负荷动态模型为：

59、

60、

61、

62、

63、

64、式中，和分别代表鱼缸内加热器在时间步长内的制热量及鱼缸水体时间步长内的热能损失；cop为加热器性能系数值；mwater为鱼缸水体质量；cwater为水的比热容，4200j/(kg·k)；为t时刻水体加热器的开关状态量，tset，water为水体设定温度，tdi，water为加热控制裕度；pheat(t)为t时刻供热负荷消耗的电能，为温室加热器和水体加热器的额定功率；

65、步骤3-3，电负荷需求响应建模：

66、可时移负荷需求响应模型为：

67、

68、式中，tistart、tiend分别为可时移负荷i开始工作时刻和结束工作时刻；αi、βi为允许工作的起止时刻；pi(t)为可时移负荷在t时刻中消耗的电能；pin为负荷i额定功率；di为工作时长；si(t)为负荷开关变量，其值为1表示开启，为0时关闭；

69、可控制负荷需求响应模型包括：

70、时间步长内的水体溶解氧含量变化的状态方程为：

71、

72、

73、式中，qair为空气溶解氧、qconv为水流氧、qa为水呼吸氧、qb为养殖种类呼吸氧、qc为底泥呼吸和溢出氧，aa为水面面积；co为水体中o2的饱和浓度；c(t)为t时段水体中o2的浓度；eg交换速率参数；αt温度系数，cbact养殖水体中异养细菌总数，h为水深；vliu为进出水口流速，ρb为单位质量鱼每小时的耗氧量，w为养殖鱼总质量，c1、c2分别为进出水口的溶解氧浓度，vc为水体体积，s为底泥表面积，δt为时间步长；

74、水体内溶解氧浓度变化为：

75、

76、增氧机控制策略为：

77、

78、式中，为增氧机在时间步长内产生的溶解氧含量，saerator(t)为t时刻增氧机的工作状态，其值为1表示开启，为0时关闭；cset为适于鱼类生长的溶解氧浓度临界值；能耗计算参照上述式(25)，t时刻总能耗计算参照步骤1-3中所述公式(4)。

79、在上述方案的基础上，步骤4的具体步骤为：

80、步骤4-1，建立目标函数：

81、

82、式中，f1为一天24小时系统用电总费用；n为整个调度周期内的总步长数；fg(t)为t时刻系统购电电价或向电网售电的电价；pgrid(t)为t时刻系统与电网交换的功率，当pgrid(t)>0时系统从电网吸收电量，当pgrid(t)＜0时系统向电网输电；

83、

84、

85、

86、式中，lga(t)为t时刻室温偏离设定值的百分比；分别为最适温度上下限；鱼菜生长适宜性与当前温度距离最佳设定温度的差值成指数关系表示为uga(t)；sga(t)为加热或制冷工作状态参数；f2为适宜性目标函数；

87、步骤4-2，建立综合评价指标模型：

88、

89、c2＝1-f2           (36)

90、式中，c1、c2分别为f1、f2的功效函数；

91、可得目标函数为：

92、

93、步骤4-3，设立约束条件，包括：

94、系统内功率平衡约束：

95、pload(t)-ppv(t)-pb(t)＝pgrid(t)       (38)

96、式中，pload(t)为t时刻鱼菜共生系统负荷总功率；pb(t)为储能装置放电功率；ppv(t)为光伏出力功率；pgrid(t)从电网流向系统的功率；

97、蓄电池储能系统约束：

98、

99、式中：pch(t)为t时刻充电功率；pdisch(t)为t时刻放电功率；socmin为最小荷电状态，socmax为最大荷电状态值；pch，max和pdisch，max分别为最大充电、最大放电功率；

100、光伏出力约束：

101、0≤p(t)＜ptpv，max         (40)

102、式中，ptpv，max为光伏系统t时刻的最大发电功率；

103、考虑鱼菜生理特性的复合需求响应控制约束：

104、按照步骤3-1中所述式(15)的冷负荷控制策略以及步骤3-2中所述式(20)、(24)的热负荷控制策略设定温度约束；按照步骤3-3中所述式(26)的可时移负荷需求响应模型以及式(30)的增氧机控制策略设定可时移时间、溶解氧浓度约束。

105、本发明所述的一种基于负荷侧需求响应的工厂化鱼菜共生系统优化调度方法，其有益效果为：

106、研究工厂化智能水产养殖系统负荷能耗特性，建立系统负荷模型，对工厂化智能水产养殖系统能耗进行拟合，构建完整的基于新能源供能系统的工厂化智能水产养殖系统负荷侧需求响应优化模型，提出一种科学、实用、导向性强的节能方案。