一种日光温室节能优化控制方法及装置

1.本发明涉及可再生能源发电优化控制及农业温室技术领域，尤其涉及一种日光温室节能优化控制方法及装置。


背景技术：

2.农业生产过程中能源使用成本占其生产成本中的20％以上，需要考虑其中的运行成本问题。作为现代高效农业的重要组成部分，温室大棚有着室内环境参数可控的特点，因此可以获取更高的农产品收益。随着我国对生态问题的越来越重视，在实现双碳目标的大背景下，光伏发电技术被广泛的应用在农业领域，随之而来的也出现了一些问题。光伏发电作为日光温室的能源被接入系统，虽可以提供部分能量，但对系统的运行成本分析尚不明确，未能有效利用日光温室内环境温度、光照强度、温湿度等环境参数可控的条件，并且结合农业生产特点来进行能源供给的优化控制，来降低分布式光伏接入日光温室的运行成本。


技术实现要素：

3.本发明针对日光温室生产特点，提出综合考虑分布式光伏发电、农业生产设备等特点的节能优化控制方法，提供一种日光温室节能优化控制方法及装置。
4.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
5.一种日光温室节能优化控制方法，包括以下步骤：
6.1)采集温室内环境参数(温室数据)，并进行信号调理；
7.2)经过信号调理后，在经典日光温室模型情况下，对于强相关的数据，利用温室内环境参数与各对应设备用能的历史数据，以最小二乘法为原则进行拟合，找到温室内环境参数与设备用能的映射关系。
8.映射关系包括：温室内温度与采暖设备(例如空气源热泵)日能耗量关系，土壤墒情与水肥一体化设备日能耗量关系，温室内有毒有害气体浓度与通风设备(例如排风扇)日能耗量关系，温室内光照强度与补光设备(例如补光灯)日能耗量关系，以及温室内二氧化碳浓度与二氧化碳发生器日能耗量关系。
9.3)根据光伏板型号及性能，确定室外环境参数与光伏板总出力的映射关系，随后将负荷与光伏出力进行整合，以用电费用最小化为目标，得到最终的目标函数。
10.4)将农作物生长的环境条件约束作为不等式约束，电能守恒作为等式约束，以此确定边界条件，最终利用拉格朗日乘数法进行求解，求出最优解条件下的各个温室内环境参数，据此设定合适的滞回区间，并与接收的当前温室内环境参数进行比较，输出最优温室内环境参数。
11.为达到运行成本最小化，将目标函数以用电费用最小化形式体现出来，步骤3)所述目标函数定义为：
12.f＝minf＝w
pg
(tc、h
t
、l
t
、ρs、d
t
、t
ac
、g
ac
)
×
p
ꢀꢀꢀ
(1)
13.式中，f为日光温室最小用电费用；w
pg
为电网向温室输送的电能；p为电价；tc为温室内的温度；h
t
为温室内有毒有害气体浓度；l
t
为温室内光照强度；ρs为土壤墒情；d
t
为温室内二氧化碳浓度；t
ac
为电池板工作温度；g
ac
表示室外实际光照强度。
14.根据能量守恒，步骤4)所述等式约束为：
15.w
pg
＝w
all-w
ppg-c
ꢀꢀꢀ
(2)
16.w
all
＝∑wc ws wh wb wd w
others
ꢀꢀꢀ
(3)
17.式中，w
all
为温室内负荷所用电能总量；w
ppg
为光伏的日内总出力；c为储能装置(蓄电池)的电量。wc为温室内采暖设备日耗能；ws为温室内水肥一体化设备日耗能；wh为温室内通风设备日耗能；wb为温室内补光设备日耗能；wd为温室内二氧化碳发生器日耗能；w
others
为温室内传感器设备日耗能(常量)。
18.其中，
[0019][0020]
式中，w
ppg
为光伏的日内总出力；p
stc
为标准测试条件下的最大测试功率；g
ac
表示室外实际光照强度，kw/m2；g
stc
为标准测试条件下的室外光照强度，取值为1kw/m2；k为功率温度系数，取值-0.43％/k；t
ac
为光伏电池板工作温度；t
stc
为标准测试条件下的参考温度，取值为25℃。标准测试条件为太阳辐射强度g
stc
＝1kw/m2，电池表面温度t
stc
为25℃，点对大气光学质量为am1.5。
[0021][0022]
式中，p
ch
(t)和p
dis
(t)分别为蓄电池在t时刻的充电和放电功率；η
ch
和η
dis
分别为蓄电池充放电效率。
[0023][0024]
式中，wc为温室内采暖设备日耗能；q
hp
为制热量；cop为性能系数；其中q
hp
和cop与温室内温度tc和空气源热泵出水口水温t
s1
有关；s
fr
描述除霜状态，“0”表示空气源热泵处于融霜状态，“1”表示空气源热泵没有除霜；p
vent
为排风扇耗电功率；q
air
为进入空气源热泵的空气体积流量，其中排风扇耗电功率p
vent
决定进入空气源热泵的空气体积流量q
air
。
[0025][0026]
式中，ws为温室内水肥一体化设备日耗能；k表示水泵转换效率；a
gh,k
表示第k个温室大棚的作物种植面积，m2；n表示温室大棚灌溉时段总数；k
c,i
表示第i种作物的作物系数；et0表示参照蒸散量，mm，其中et0与土壤墒情ps有关。
[0027][0028]
式中，wh为温室内通风设备日耗能；p
h.f
表示第f个温室大棚排风扇的额定功率总和，kw；k
h.f
表示在t时间段内整个温室大棚排风扇工作数量比例，k
h.f
∈[0,1]，其中k
h.f
与温室内有毒有害气体浓度h
t
有关。
[0029]
[0030]
式中，wb为温室内补光设备日耗能；p
b.f
表示第f个温室大棚补光灯的额定功率总和，kw；k
b.f
表示在t时间段内整个温室大棚补光灯工作数量比例，k
b.f
∈[0,1]，其中k
b.f
与温室内光照强度l
t
有关。
[0031][0032]
式中，wd为温室内二氧化碳发生器日耗能；p
d.f
表示第f个温室大棚二氧化碳发生器的额定功率总和，kw；k
d.f
表示在t时间段内整个温室大棚二氧化碳发生器工作数量比例，k
d.f
∈[0，1]，其中k
d.f
与温室内二氧化碳浓度d
t
有关。
[0033]
为保证储能的正常使用以及其使用寿命，储能需满足下列功率约束：
[0034]
p
ch.min
≤p
ch
(t)≤p
ch.max
ꢀꢀꢀ
(11)
[0035]
p
dis.min
≤p
dis
(t)≤p
dis.max
ꢀꢀꢀ
(12)
[0036]cmin
≤c(t)≤c
max
ꢀꢀꢀ
(13)
[0037]
式中：p
ch.min
和p
ch.max
分别为充电功率的最小值和最大值；p
dis.min
和p
dis.max
分别为放电功率的最小值和最大值；c
min
和c
max
分别为储能容量的最小值和最大值。
[0038]
步骤4)所述不等式约束为：
[0039]
t
c(min)
≤tc≤t
c(max)
ꢀꢀꢀ
(14)
[0040]
ρ
s(min)
≤ρs≤ρ
s(max)
ꢀꢀꢀ
(15)
[0041]
0≤h
t
≤h
t(max)
ꢀꢀꢀ
(16)
[0042]
l
t(min)
≤l
t
≤l
t(max)
ꢀꢀꢀ
(17)
[0043]dt(min)
≤d
t
≤d
t(max)
ꢀꢀꢀ
(18)
[0044]wppg(min)
≤w
ppg
≤w
ppg(max)
ꢀꢀꢀ
(19)
[0045]
一种日光温室节能优化控制装置，包括：
[0046]
数据采集模块，用于采集环境数据；数据采集模块包括二氧化碳浓度传感器、室内温湿度传感器、有毒有害气体浓度传感器、光照传感器、土壤墒情传感器和监控摄像头，通过wsn进行本地组网，再通过特定上网设备传送至云服务器和存储设备，从而实现实时状态感知。
[0047]
信号调理模块，用于对数据采集模块采集的环境数据进行信号调理，然后将调理后的环境数据传输给分析处理模块；
[0048]
分析处理模块，用于将农作物生长的环境条件约束作为不等式约束，电能守恒作为等式约束，以此确定边界条件，最终利用拉格朗日乘数法，求出最优解条件下的各个温室内环境参数，据此设定合适的滞回区间，并与接收的当前温室内环境参数进行比较，得到预发出的控制指令，通过无线网络发送到控制器模块。
[0049]
控制器模块，用于接收来自分析处理模块的控制指令，并对执行输出模块进行控制。
[0050]
执行输出模块，用于根据控制器模块发出的控制指令，改变温室内各个执行输出设备的运行状态。
[0051]
其中执行输出设备包括：水肥一体化设备、二氧化碳发生器、排风扇、补光灯、空气源热泵。
[0052]
本发明的有益效果：本发明利用日光温室内环境参数可调节的特点，结合农业生
产用能需求，提出一种日光温室节能优化控制方法与装置，以新能源(太阳能)发电作为基础能源，综合考虑到可再生能源的就地消纳问题的同时兼顾网络的运行成本问题，在实现了系统的运行成本最小化的同时，又保证了温室内农产品利益最大化，与以往的考虑单一优化目标的系统相比，优势较为明显。
[0053]
本发明通过传感器系统、控制系统、执行输出系统将环境参数控制在适宜作物生长的最优范围，并优化光伏发电系统出力，使日光温室生产系统运行所需电费最少，提高节能效果、降低生产成本。
附图说明
[0054]
本发明有如下附图：
[0055]
图1为本发明的日光温室节能优化控制装置构成示意图。
[0056]
图2为本发明的日光温室节能优化控制策略示意图。
具体实施方式
[0057]
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0058]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施案例做说明。
[0059]
图1为本发明的日光温室节能优化控制装置构成图。如图1所示，该控制装置包括数据采集模块(主要包括二氧化碳浓度传感器、室内温湿度传感器、有毒有害气体浓度传感器、光照传感器、土壤墒情传感器和监控摄像头)、信号调理模块、分析处理模块、控制器模块、执行输出模块(水肥一体化设备、二氧化碳发生器、补光灯、排风扇、空气源热泵等)。采集到的日光温室的各类数据经过信号调理模块放大调理，传送到分析处理模块，分析处理模块利用建立的数据模型算法，求出最优解条件下的各个环境参数，并与接收的当前温室内环境参数进行比较，得到预发出的控制信号，通过无线网络到达本地控制器模块，控制本地执行输出设备(水肥一体化设备、二氧化碳发生器、排风扇、补光灯、空气源热泵等)的工作状态，例如：电机启停，补光灯亮、灭。
[0060]
图2为本发明的日光温室节能优化控制方法策略图。
[0061]
具体地，采集温室数据，在经典日光温室模型情况下，对于强相关的数据，利用温室数据与各对应设备用能的大量历史数据，以最小二乘法为原则进行拟合，找到温室数据与设备用能的映射关系：
[0062][0063]
式中，wc为温室内采暖设备日耗能；q
hp
为制热量；cop为性能系数；其中q
hp
和cop与温室内温度tc和空气源热泵出水口水温t
s1
有关；s
fr
描述除霜状态，“0”表示空气源热泵处于融霜状态，“1”表示空气源热泵没有除霜；p
vent
为排风扇耗电功率；q
air
为进入空气源热泵的空气体积流量，其中排风扇耗电功率p
vent
决定进入空气源热泵的空气体积流量q
air
。
[0064][0065]
式中，ws为温室内水肥一体化设备日耗能；k表示水泵转换效率；a
gh,k
表示第k个温
室大棚的作物种植面积，m2；n表示温室大棚灌溉时段总数；k
c,i
表示第i种作物的作物系数；et0表示参照蒸散量，mm，其中et0与土壤墒情ps有关。
[0066][0067]
式中，wh为温室内通风设备日耗能；p
h.f
表示第f个温室大棚排风扇的额定功率总和，kw；k
h.f
表示在t时间段内整个温室大棚排风扇工作数量比例，k
h.f
∈[0,1]，其中k
h.f
与温室内有毒有害气体浓度h
t
有关。
[0068][0069]
式中，wb为温室内补光设备日耗能；p
b.f
表示第f个温室大棚补光灯的额定功率总和，kw；k
b.f
表示在t时间段内整个温室大棚补光灯工作数量比例，k
b.f
∈[0，1]，其中k
b.f
与温室内光照强度l
t
有关。
[0070][0071]
式中，wd为温室内二氧化碳发生器日耗能；p
d.f
表示第f个温室大棚二氧化碳发生器设备的额定功率总和，kw；k
d.f
表示在t时间段内整个温室大棚二氧化碳发生器工作数量比例，k
d.f
∈[0，1]，其中k
d.f
与温室内二氧化碳浓度d
t
有关。
[0072]
具体地，由于不同农作物的生长对环境条件要求不同，为促进植物的生长发育，从而获得优质高产，故将农作物生长的环境条件约束作为不等式约束，由此引出不等式约束为：
[0073]
t
c(min)
≤tc≤t
c(max)
[0074]
ρ
s(min)
≤ρs≤ρ
s(max)
[0075]
0≤h
t
≤h
t(max)
[0076]
l
t(min)
≤l
t
≤l
t(max)
[0077]dt(min)
≤d
t
≤d
t(max)
[0078]wppg(min)
≤w
ppg
≤w
ppg(max)
[0079]
具体地，根据各类光伏板型号及性能，确定室外环境参数与光伏板总出力的映射关系，随后将负荷与光伏出力进行整合，得到最终的目标函数：
[0080]
f＝minf＝w
pg
(tc、h
t
、l
t
、ρs、d
t
、t
ac
、g
ac
)
×
p
[0081]
式中，f为日光温室最小用电费用；w
pg
为电网向园区输送的电能；p为电价。
[0082]
根据能量守恒，等式约束为：
[0083]wpg
＝w
all-w
ppg-c
[0084]wall
＝∑wc ws wh wb wd w
others
[0085]
式中，w
all
为温室内负荷所用电能总量；w
ppg
为光伏的日内总出力；c为储能装置(蓄电池)的电量。wc为温室内采暖设备日耗能；ws为温室内水肥一体化设备日耗能；wh为温室内通风设备日耗能；wb为温室内补光设备日耗能；wd为温室内二氧化碳发生器日耗能；w
others
为温室内传感器设备日耗能(常量)。
[0086]
其中，光伏的日内总出力满足：
[0087][0088]wppg(min)
≤w
ppg
≤w
ppg(max)
[0089]
蓄电池充放电满足：
[0090][0091]
p
ch.min
≤p
ch
(t)≤p
ch.max
[0092]
p
dis.min
≤p
dis
(t)≤p
dis.max
[0093]cmin
≤c(t)≤c
max
[0094]
利用拉格朗日乘数法，并考虑约束条件，求出最优解条件下的各个温室内环境参数，据此设定合适的滞回区间，并与接收的当前温室内环境参数进行比较，得到预发出的控制指令。
[0095]
具体地，控制指令通过无线网络到达执行输出模块，根据设备驱动器接收到的控制指令，控制本地执行设备的工作状态。
[0096]
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
[0097]
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。