水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)動(dòng)力源之光伏蓄電池供電系統(tǒng)的優(yōu)化構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種浮于水面的水質(zhì)監(jiān)測小型浮標(biāo)動(dòng)力源之光伏蓄電池供電系統(tǒng)的 優(yōu)化構(gòu)建方法。具體為一種基于浮標(biāo)本體約束及當(dāng)?shù)貧庀笠蛩丶s束的光伏、蓄電池?cái)?shù)量優(yōu) 化算法的最優(yōu)容量配置方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水資源作為一種基礎(chǔ)性的自然資源，是人類賴以生存的生命之源。為實(shí)現(xiàn)水資源 的可持續(xù)利用，對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測與分析十分必要。浮于水面的水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)通過在 其上搭載必要的化學(xué)分析儀器和各種水質(zhì)傳感器可以實(shí)現(xiàn)采集實(shí)時(shí)水質(zhì)指標(biāo)、處理、存儲(chǔ)、 發(fā)送各指標(biāo)相關(guān)的數(shù)據(jù)到指定接收器，此外還可實(shí)現(xiàn)跟蹤浮標(biāo)的位置，有故障可及時(shí)自動(dòng) 報(bào)警等附加功能。對于離岸式水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)系統(tǒng)，采用光伏蓄電池混合供電系統(tǒng)，通 過太陽能光伏板吸收投射到無遮擋的水面上方的日光轉(zhuǎn)化為電能可方便地為搭載的儀器、 儀表供電，另一方面將多余的電能儲(chǔ)備在蓄電池中，以供無日光照幅射的夜晚及陰雨天的 設(shè)備用電使用。這種供電方式不僅能夠有效地解決水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)的用電問題，同時(shí) 可以減少化石資源的消耗，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測的綠色、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保目的。
[0003] 然而，現(xiàn)有的浮于水面的水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)動(dòng)力源一一光伏蓄電池供電系統(tǒng)設(shè) 計(jì)方法存在一些不足：
[0004] 首先，在目前的小型浮標(biāo)系統(tǒng)中動(dòng)力源的設(shè)計(jì)采用模塊化并聯(lián)組合的方式，一般 會(huì)通過估算要搭載設(shè)備的耗電量，決定配置模塊化蓄電池組1-2套。這種并聯(lián)擴(kuò)容的方式 雖然提高了系統(tǒng)的供電可靠性，卻增加了動(dòng)力源部分的體積、重量與直接投資成本。
[0005] 其次，近年來基于對水質(zhì)監(jiān)測的普遍重視，多種型號(hào)的不同監(jiān)測傳感器與信號(hào)傳 輸設(shè)備需要搭載到小型浮標(biāo)中。由于應(yīng)用中設(shè)備的耗電量變化范圍寬泛，針對具體需求， 設(shè)計(jì)水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)動(dòng)力源一一光伏蓄電池供電系統(tǒng)的案例逐漸增多。這種方式需要 先詳細(xì)計(jì)算搭載的具體設(shè)備的功耗數(shù)據(jù)，明確要確保連續(xù)無日照條件下系統(tǒng)正常供電的天 數(shù)，而后采用光伏蓄電池供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)配置的光伏板的功率、蓄電池 的安時(shí)數(shù)。然而，目前可供借鑒的光伏蓄電池供電系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法主要是針對地面固定 安置光伏蓄電池供電系統(tǒng)進(jìn)行的。由于沒有考慮應(yīng)用中光伏蓄電池安置涉及到的體積、重 量等約束條件，實(shí)際應(yīng)用中往往導(dǎo)致設(shè)計(jì)好的光伏蓄電池系統(tǒng)安裝不到實(shí)現(xiàn)選定的小型浮 標(biāo)本體上，需要重新給訂購體積、面積、配重足夠的小型浮標(biāo)本體，增加了水質(zhì)監(jiān)測用小型 浮標(biāo)系統(tǒng)的間接投資成本與時(shí)間成本。
[0006] 此外，實(shí)際工程中由于受到環(huán)境、氣候等影響，水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)動(dòng)力源一一光 伏蓄電池供電系統(tǒng)運(yùn)行過程中受到隨機(jī)性及周期性變化因素影響。目前在對水質(zhì)監(jiān)測用小 型浮標(biāo)動(dòng)力源一一光伏蓄電池供電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)未考慮所設(shè)計(jì)的性能參數(shù)之間及其與 其他關(guān)聯(lián)因素的交互影響，則所設(shè)計(jì)的光伏蓄電池供電系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)在滿足系統(tǒng)運(yùn)行可靠 性的前提下，降低系統(tǒng)投資建設(shè)成本，科學(xué)構(gòu)建的目的。
[0007] 因此，為解決以上問題，需要提供一種科學(xué)的水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)動(dòng)力源一一光 伏蓄電池供電系統(tǒng)的優(yōu)化構(gòu)建方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)動(dòng)力源之光伏蓄電池供電 系統(tǒng)的構(gòu)建方法不夠科學(xué)、不夠準(zhǔn)確的現(xiàn)存弊端。通過融合水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)的應(yīng)用地 的環(huán)境、氣象條件與浮標(biāo)搭載儀器、儀表功耗、運(yùn)行時(shí)間等因素的交互影響，結(jié)合浮標(biāo)本體 的面積、體積、重量等限制條件建立水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)動(dòng)力源一一光伏蓄電池供電系統(tǒng) 的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。在約束條件限定的可行解區(qū)域內(nèi)，尋求投資成本低、失電小時(shí)數(shù)少，并結(jié) 合應(yīng)用地的環(huán)境及氣象歷史數(shù)據(jù)信息，得到既滿足小型浮標(biāo)應(yīng)用地實(shí)際情況的天氣因素要 求，又滿足系統(tǒng)可靠性要求的光伏蓄電池混合供電系統(tǒng)優(yōu)化配置方案。
[0009] 本發(fā)明提供一種水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)動(dòng)力源之光伏蓄電池供電系統(tǒng)的優(yōu)化構(gòu)建 方法，主要包括以下六個(gè)步驟：
[0010] 步驟一、小型浮標(biāo)系統(tǒng)功耗計(jì)算；
[0011] 計(jì)算需要搭載到浮標(biāo)本體中的水質(zhì)監(jiān)測用設(shè)備的運(yùn)行功耗及日運(yùn)行小時(shí)數(shù)，形成 小型浮標(biāo)系統(tǒng)的日平均能耗，這些水質(zhì)監(jiān)測用設(shè)備可以看作是小型浮標(biāo)動(dòng)力源部分的負(fù) 載，因此稱為負(fù)載設(shè)備，則而后便可計(jì)算出負(fù)載設(shè)備的平均功耗值。
[0012] 步驟二、小型浮標(biāo)系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)建模；
[0013] 確定小型浮標(biāo)系統(tǒng)中涉及的光伏發(fā)電、蓄電池儲(chǔ)能、浮標(biāo)本體等的相關(guān)參數(shù)值與 成本。以成本最小為目標(biāo)建立小型浮標(biāo)動(dòng)力源--光伏蓄電池供電系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。
[0014] 步驟三、基于氣象因素確定小型浮標(biāo)系統(tǒng)最大連續(xù)陰雨天數(shù)；
[0015] 基于光伏蓄電池供電系統(tǒng)的輸出受到日照等氣象因素的影響，光伏發(fā)電隨時(shí)間和 環(huán)境的變化具有明顯的間斷性和波動(dòng)性。依據(jù)比較容易獲取的氣象信息，如光照強(qiáng)度、溫度 和相對濕度，對光伏蓄電池供電系統(tǒng)發(fā)電量的影響因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)影響因素，統(tǒng)計(jì) 分析出近年來最惡劣月份的連續(xù)陰雨導(dǎo)致不發(fā)電的天數(shù)，為合理地確定應(yīng)用地浮標(biāo)運(yùn)行中 的最長陰雨天數(shù)提供科學(xué)的決策依據(jù)。
[0016] 步驟四、小型浮標(biāo)系統(tǒng)約束條件建立；
[0017] 基于應(yīng)用中涉及到的浮標(biāo)本體容積、面積、浮力，及動(dòng)力部分的功率、能量等條件 建立水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)動(dòng)力源一一光伏蓄電池供電系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)滿足的約束條件。
[0018] 步驟五、配置參數(shù)優(yōu)化；
[0019] 采用線性整數(shù)規(guī)劃算法，不斷搜索，計(jì)算構(gòu)建水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)動(dòng)力源一一光 伏蓄電池供電系統(tǒng)的成本，最后輸出最優(yōu)解，得到小型浮標(biāo)系統(tǒng)光伏蓄電池最優(yōu)配置參數(shù) Xj= [X U X2]，j = 1，2,…η，η為小型浮標(biāo)系統(tǒng)可選擇的浮標(biāo)本體個(gè)數(shù)，X1S對應(yīng)優(yōu)化選定 浮標(biāo)本體后確定的蓄電池的個(gè)數(shù)，X 2則為對應(yīng)確定的指定瓦數(shù)光伏板的個(gè)數(shù)。
[0020] 步驟六、敏感度分析；
[0021] 利用敏感度分析考察連續(xù)陰雨天氣變化時(shí)，水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)系統(tǒng)可保障系統(tǒng) 動(dòng)力部分不斷電、持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間長度波動(dòng)范圍。
[0022] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0023] 1.結(jié)合應(yīng)用浮標(biāo)搭載設(shè)備耗電的應(yīng)用需求、浮標(biāo)本體成本與限制條件設(shè)計(jì)光伏蓄 電池供電系統(tǒng)，瞄準(zhǔn)了整體優(yōu)化降低系統(tǒng)構(gòu)成總體成本的目的，提出合理的目標(biāo)函數(shù)，以實(shí) 現(xiàn)光伏蓄電池供電系統(tǒng)構(gòu)成成本/發(fā)電容量的優(yōu)化構(gòu)建；
[0024] 2.結(jié)合浮標(biāo)安裝運(yùn)行所在地的氣象條件，增加統(tǒng)計(jì)回歸算法，對小型浮標(biāo)系統(tǒng)投 入使用的3-5年內(nèi)的連續(xù)陰雨天進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，科學(xué)確定當(dāng)?shù)刈畲罂赡苓B續(xù)陰雨天數(shù)，為 光伏蓄電池供電系統(tǒng)的充足、可靠、經(jīng)濟(jì)供電提供理論支撐；
[0025] 3.在選定浮標(biāo)本體的參數(shù)，明確小型浮標(biāo)系統(tǒng)的約束條件后，采用整數(shù)規(guī)劃算法 在可行解區(qū)域內(nèi)尋求滿足體積、浮力等約束條件的光伏蓄電池供電系統(tǒng)最優(yōu)解；而后通過 敏感度分析，考察氣象條件變化時(shí)對所設(shè)計(jì)小型浮標(biāo)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性的影響波動(dòng)范圍， 為后續(xù)天氣因素變動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行決策提供依據(jù)。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明提供的基于浮標(biāo)本體約束條件下光伏蓄電池容量優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的 流程圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明中基于氣象因素確定小型浮標(biāo)系統(tǒng)最大連續(xù)陰雨天數(shù)的流程圖；
[0028] 圖3為實(shí)施例中A地1-2月份太陽輻射值、溫度、相對濕度數(shù)值；
[0029] 圖4為實(shí)施例中A地1-2月份日平均光伏發(fā)電量及連續(xù)無發(fā)電量天數(shù)；
[0030] 圖5為迭代式整數(shù)優(yōu)化算法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0032] 本發(fā)明提供一種水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)動(dòng)力源之光伏蓄電池供電系統(tǒng)的優(yōu)化構(gòu)建 方法，如圖1所示流程，具體包括如下步驟：
[0033] 步驟一、小型浮標(biāo)系統(tǒng)功耗計(jì)算；
[0034] 本發(fā)明主要針對用于河湖中水質(zhì)監(jiān)測用的小型浮標(biāo)系統(tǒng)，其供電采用光伏蓄電池 組成，考慮到光伏發(fā)電受日照等天氣因素影響比較大，因而采用了蓄電池補(bǔ)充光伏系統(tǒng)的 能源供給不穩(wěn)定性，滿足光伏系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)功耗需求。陽光晴好時(shí)由光伏系統(tǒng)發(fā)電供給 用電負(fù)載，蓄電池充電；在夜間及陰雨天時(shí)由蓄電池供電給負(fù)載，滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與傳 輸要求。因此，小型浮標(biāo)系統(tǒng)的功耗、能耗需求是后續(xù)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。應(yīng)通過計(jì)算需要搭載 到浮標(biāo)本體中的水質(zhì)監(jiān)測用設(shè)備（負(fù)載設(shè)備）的運(yùn)行功耗及日運(yùn)行小時(shí)數(shù)，形成小型浮標(biāo) 系統(tǒng)的日平均能耗，除以24小時(shí)就獲得了負(fù)載設(shè)備的日平均功耗，從而確定了負(fù)載設(shè)備功 率和能量情況。步驟二、小型浮標(biāo)系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)建模；
[0035] 水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)系統(tǒng)的光伏蓄電池供電系統(tǒng)的成本主要涉及以下幾個(gè)部 分：
[0036] A.光伏板，購買時(shí)按瓦計(jì)算價(jià)格。
[0037] B.在系統(tǒng)使用壽命內(nèi)的蓄電池，購買時(shí)按瓦時(shí)計(jì)算價(jià)格。
[0038] C.供貨廠家不同型號(hào)的系列小型浮標(biāo)本體成本，一般成本隨著小型浮標(biāo)本體體積 的增大、其表面積、浮力逐漸增大。
[0039] D.其他負(fù)載電壓匹配用功率變換器、光伏充電控制器以及安裝成本等費(fèi)用，這部 分費(fèi)用與小型浮標(biāo)本體及光伏蓄電池供電部分的成本相比，所占份額很小，可以認(rèn)為基本 不變，按固定投資考慮即可。
[0040] 水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)的光伏蓄電池供電系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置應(yīng)首先要保障小型 浮標(biāo)在投入使用的3-5年壽命周期內(nèi)，構(gòu)建運(yùn)行成本最低。因此，將水質(zhì)監(jiān)測用小型浮標(biāo)動(dòng) 力源一一光伏蓄電池供電系統(tǒng)的構(gòu)建成本函數(shù)看作優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。為了降低水質(zhì)監(jiān) 測用小型浮標(biāo)動(dòng)力源一一光伏蓄電池供電系統(tǒng)的成本，需要對光伏蓄電池的組成進(jìn)行優(yōu)化 研宄，目標(biāo)函數(shù)式（1)為小型浮標(biāo)光伏蓄電池供電系統(tǒng)的成本函數(shù)f。
[0041]