CN104638747B

CN104638747B - 一种光电互补供电系统的功率优化自动分配方法及系统

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Publication number: CN104638747B
Application number: CN201510040176.4A
Authority: CN
Inventors: 鲁照权; 向伟伟; 鲁博翰; 华绘; 文茹; 吴金竹
Original assignee: Hefei Han Pu Energy-Saving Control Apparatus Co Ltd; Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei Han Pu Energy-Saving Control Apparatus Co Ltd; Hefei University of Technology
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2035-01-27
Also published as: CN104638747A

Abstract

本发明涉及光电互补供电系统的功率优化自动分配方法，包括提取设定的负载用电优先级矩阵；检测光伏功率，刷新供电能力矩阵；若蓄电池电量未达下限或已经充满电，则断开、；若蓄电池电量已达下限，而光伏发电量正常且能够满足负载所需，则闭合；若蓄电池电量已达下限、光伏发电量无法满足负载所需，且处于市电最低电价时间内，则闭合；若蓄电池电量已达下限、光伏发电量无法满足负载所需，且并非处于市电最低电价时间内，则断开、；分别计算各个开关的状态并输出；返回步骤二。本发明还公开了实现所述功率优化自动分配方法的系统。本发明制定了各开关控制规则，实现了功率的优化自动分配，最大限度地发挥光电互补供电系统的投入与产出比。

Description

一种光电互补供电系统的功率优化自动分配方法及系统

技术领域

本发明涉及光伏发电与市电互补技术领域，尤其是一种光电互补供电系统的功率优化自动分配方法及系统。

背景技术

光电互补供电系统将会成为很多家庭通用的供电模式，而功率优化自动分配方法是保证系统高效运行的核心技术，功率优化自动分配方法的优劣决定着相同投资下所获得收益的高低。虽然，光伏市电互补供电系统目前已有应用，但是尚无合理完备的功率优化自动分配方法。

申请号为201310484445.7，发明创造名称为“家用太阳能供电系统及其与市电切换方法”的专利申请，公开了一种基于光伏电能质量“合格”或“不合格”的光伏或市电供电的电源切换控制器，该控制器只是根据光伏供电质量“合格”或“不合格”来决定是使用光伏发电还是市电。因此，无法进行光电与市电的混合使用，也无法最大限度地发挥系统的投入与产出比。

在电工技术学报2012年10月第27卷第10期249-254页“太阳能光伏/市电联合供电系统”一文中将系统工作模式分为：光伏系统最大输出功率大于负载所需功率、光伏系统最大输出功率小于负载所需功率、光伏系统无法工作三种工作模式，并采用脉宽调制技术利用市电对系统进行能量补充，该系统虽然能够在任何情况下保证系统的正常供电，但是，没有考虑多负载系统用电优先级问题；没有考虑利用蓄电池储能而延长光伏供电问题；没有考虑利用市电峰谷电价降低用电成本问题。因此，也无法最大限度地发挥系统的投入与产出比。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种能够最大限度地发挥光电互补供电系统的投入与产出比的光电互补供电系统的功率优化自动分配方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种光电互补供电系统的功率优化自动分配方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)提取设定的负载用电优先级矩阵P_R＝[P_RN，P_R(N-1)，…，P_R2，P_R1]，其中，P_Ri，i＝1，2，…，N代表相应负载的优先级,高优先级定义为1，低优先级定义为0；

(2)检测光伏功率，刷新供电能力矩阵U_C＝[u_N，u_N-1，.....，u₂，u₁]，其中，u_i＝1表示光伏电池有供电能力，u_i＝0表示光伏电池无供电能力，i＝1，2，…，N；

(3)检测蓄电池电量，若蓄电池电量未达下限或已经充满电，则断开光伏充电开关K₁、市电充电开关K₂；若蓄电池电量已达下限，而光伏发电量正常且能够满足负载所需，则闭合光伏充电开关K₁；若蓄电池电量已达下限、光伏发电量无法满足负载所需，且处于市电最低电价时间内，则闭合市电充电开关K₂；若蓄电池电量已达下限、光伏发电量无法满足负载所需，且并非处于市电最低电价时间内，则断开光伏充电开关K₁、市电充电开关K₂；

(4)分别计算光伏供电总开关K_PV、蓄电池供电总开关K_RAT、市电供电总开关K_DC、第i个负载的光伏或蓄电池供电开关K_Pi、第i个负载的市电供电开关K_Di的状态，并输出各个开关的状态；

(5)返回步骤(2)。

设光伏电池的设计功率大于等于N个负载的功率之和，即

设P_Li，i＝1，2，…，N均已知，或可测量，令

即根据P_PV的大小，U_C的变化范围可定义为U_C＝[0，…，0，0]至[1，…，1，1]，U_C的数值越大表明光伏电池供电能力越强，反之越弱，其中，P_PV是光伏电池的实际功率，通常小于设计功率P_Li是第i负载的功率。

所述光伏充电开关K₁＝1表示闭合，K₁＝0表示断开；所述蓄电池充电开关，K₂＝1表示闭合，K₂＝0表示断开。

所述光伏供电总开关K_PV＝u₁+u₂+…+u_N，K_PV＝1表示闭合，K_PV＝0表示断开；所述蓄电池供电总开关K_BAT＝1表示闭合，K_BAT＝0表示断开；所述市电供电总开关u＝u₁·u₂·…·u_N，K_DC＝1表示闭合，K_DC＝0表示断开；“+”表示“或”运算，“·”表示“与”运算。

所述第i个负载的光伏或蓄电池供电开关K_Pi＝u_i·K_PV+K_BAT，K_Pi＝1表示闭合，K_Pi＝0表示断开；所述第i个负载的市电供电开关K_Di＝1表示闭合，K_Di＝0表示断开；“+”表示“或”运算，“·”表示“与”运算。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述光电互补供电系统的功率优化自动分配方法的系统，包括光伏电池，其一端依次通过光伏充电开关K₁、充电模块对蓄电池充电，其另一端依次通过光伏供电总开关K_PV、第i个负载的光伏或蓄电池供电开关K_Pi向负载供电，市电依次通过整流模块、市电充电开关K₂、充电模块对蓄电池充电，整流模块依次通过市电供电总开关K_DC、第i个负载的市电供电开关K_Di向负载供电，蓄电池通过蓄电池供电总开关K_BAT、第i个负载的光伏或蓄电池供电开关K_Pi向负载供电。

由上述技术方案可知，本发明针对负载用电的紧迫性情况，设置高、低优先级矩阵P_R；基于光伏电池供电能力，设置供电能力矩阵，并根据光伏功率的大小实时修正供电能力矩阵；基于最大限度地使用光伏电能、充分考虑市电最高电价与最低电价(峰谷电价)，在现有的系统设计容量下将市电电费降至最低的原则，制定了各开关控制规则，实现了功率的优化自动分配，最大限度地发挥光电互补供电系统的投入与产出比。本发明适用于纯直流多负载供电系统的优化控制，若给交流负载配上逆变器，本发明也适用于交、直流混合的多负载供电系统的优化控制。

附图说明

图1、2均为本发明的光伏市电互补系统结构示意图。

图3为本发明的工作流程图。

具体实施方式

如图3所示，一种光电互补供电系统的功率优化自动分配方法，该方法包括下列顺序的步骤：

步骤一，提取设定的负载用电优先级矩阵P_R＝[P_RN，P_R(N-1)，…，P_R2，P_R1]，其中，P_RI，i＝1，2，…，N代表相应负载的优先级,高优先级定义为1，低优先级定义为0；

步骤二，检测光伏功率，刷新供电能力矩阵U_C＝[u_N，u_N-1，......，u₂，u₁]，其中，u_i＝1表示光伏电池有供电能力，u_i＝0表示光伏电池无供电能力，i＝1，2，…，N；

步骤三，检测蓄电池电量，若蓄电池电量未达下限或已经充满电，则断开光伏充电开关K₁、市电充电开关K₂；若蓄电池电量已达下限，而光伏发电量正常且能够满足负载所需，则闭合光伏充电开关K₁；若蓄电池电量已达下限、光伏发电量无法满足负载所需，且处于市电最低电价时间内，则闭合市电充电开关K₂；若蓄电池电量已达下限、光伏发电量无法满足负载所需，且并非处于市电最低电价时间内，则断开光伏充电开关K₁、市电充电开关K₂；

步骤四，分别计算光伏供电总开关K_PV、蓄电池供电总开关K_BAT、市电供电总开关K_DC、第i个负载的光伏或蓄电池供电开关K_Pi、第i个负载的市电供电开关K_Di的状态，并输出各个开关的状态；

步骤五，返回步骤二。

用户可根据使用情况，将用电负载分成高、低两个优先级；同一个优先级下编号1，2，…，N的N个负载中，编号越小的负载使用光伏或蓄电池供电的优先级越高。因此，可根据具体情况，如光伏电池功率的大小、负载功率的大小等安排负载的优先级和编号。高优先级负载在任何情况下必须保证供电，如照明系统、空调、办公系统等；低优先级负载用电可以等待，即等到光伏电力充足，或市电电价最低时供电，如蓄电池、热水器、电动车充电器等。

光伏电池的实际容量P_PV与天气情况、环境温度、昼夜等有关，是系统功率分配控制的重要依据。为了方便实施系统功率分配控制，对供电能力矩阵U_C进行二进制描述。

设光伏电池的设计功率大于等于N个负载的功率之和，即

设P_Ii，i＝1，2，…，N均已知，或可测量，令

即根据P_PV的大小，U_C的变化范围可定义为U_C＝[0，…，0，0]至[1，…，1，1]，U_C的数值越大表明光伏电池供电能力越强，反之越弱，其中，P_PV是光伏电池的实际功率，通常小于设计功率P_Ii是第i负载的功率。

所述光伏充电开关K₁＝1表示闭合，K₁＝0表示断开；所述蓄电池充电开关，K₂＝1表示闭合，K₂＝0表示断开。光伏充电开关K₁、市电充电开关K₂控制蓄电池充电，两个开关不得同时闭合。蓄电池实际上起着延长光伏电池供电时间的作用，即白天光伏电池对其充电，晚上光伏电池不能发电后，蓄电池开始放电，以减少对市电的使用时间。白天光伏充电开关K₁闭合，尽可能让光伏电池对蓄电池充满电；晚上光伏充电开关K₁断开，开始放电；对于光伏容量不够大或阴雨天，晚上市电最低电价期间市电充电开关K₂闭合，由市电对蓄电池充满电，供白天(最高电价期间)使用。蓄电池充满电后市电充电开关K₂断开。

所述光伏供电总开关K_PV＝u₁+u₂+…+u_N，K_PV＝1表示闭合，K_PV＝0表示断开，也就是说，只要光伏电池能带动一个负载，光伏供电总开关K_PV就闭合；所述蓄电池供电总开关K_BAT＝1表示闭合，K_BAT＝0表示断开，即光伏充电开关K₁、市电充电开关K₂和光伏供电总开关K_PV全断开，蓄电池供电总开关K_BAT才闭合，蓄电池对负载供电。“+”表示“或”运算，“·”表示“与”运算。

所述市电供电总开关u＝u₁·u₂·…·u_N，K_DC＝1表示闭合，K_DC＝0表示断开，“+”表示“或”运算，“·”表示“与”运算。也就是说，在光伏供电总开关K_PV、蓄电池供电总开关K_BAT均断开的情况下，市电供电总开关K_DC闭合，或者，只要其中一个负载的光伏供电能力为0，市电供电总开关K_DC闭合。换句话说，在光伏和蓄电池都不供电的情况下，市电供电，或者只要其中一个负载光伏电池带不动，市电就供电。

所述第i个负载的光伏或蓄电池供电开关K_Pi＝u_i·K_PV+K_BAT，K_Pi＝1表示闭合，K_Pi＝0表示断开。即针对第i个负载，在光伏电池对该负载有供电能力且光伏供电总开关K_PV是闭合的情况下，K_Pi闭合，或者，在蓄电池供电总开关K_BAT闭合的情况下，即蓄电池供电的情况下，K_Pi闭合。“+”表示“或”运算，“·”表示“与”运算

所述第i个负载的市电供电开关K_Di＝1表示闭合，K_Di＝0表示断开。即只有在市电供电总开关K_DC闭合，由市电供电的情况下，且该负载优先级高，且该负载的K_Pi断开的情况下，K_Di闭合。“+”表示“或”运算，“·”表示“与”运算。

在本实施例中，光伏电池供电能力、负载用电优先级、开关状态真值表具体如表1所示。

表1

u₁	P_Ri	K₁	K₂	K_PV	K_BAT	K_DC	K_Pi	K_Di	状态
										0	0	0	0	0	1	1	1	0	1
0	0	0	1	0	0	1	0	0	2
										0	0	0	0	1	0	1	0	0	3
0	0	1	0	1	0	1	0	0	4

1	0	0	0	1	1	0	1	0	5
										1	0	0	1	1	0	0	1	0	6
1	0	0	0	1	0	0	1	0	7
										1	0	1	0	1	0	0	1	0	8

										0	1	0	0	0	1	1	1	0	9
0	1	0	1	0	0	1	0	1	10
										0	1	0	0	1	0	1	0	1	11
0	1	1	0	1	0	1	0	1	12

1	1	0	0	1	1	0	1	0	13
										1	1	0	1	1	0	0	1	0	14
1	1	0	0	1	0	0	1	0	15
										1	1	1	0	1	0	0	1	0	16

如图1所示，系统由光伏电池、市电、蓄电池和负载组成，光伏电池、市电、蓄电池均可以对负载供电，光伏电池和市电均可以对蓄电池进行充电。因此，如何管理与控制该系统，最大限度地使用光伏电能、充分考虑市电峰谷电价、将市电电费降至最低是本发明的目标。

如图2所示，本系统包括光伏电池，其一端依次通过光伏充电开关K₁、充电模块对蓄电池充电，其另一端依次通过光伏供电总开关K_PV、第i个负载的光伏或蓄电池供电开关K_Pi向负载供电，市电依次通过整流模块、市电充电开关K₂、充电模块对蓄电池充电，整流模块依次通过市电供电总开关K_DC、第i个负载的市电供电开关K_Di向负载供电，蓄电池通过蓄电池供电总开关K_BAT、第i个负载的光伏或蓄电池供电开关K_Pi向负载供电。

综上所述，本发明针对负载用电的紧迫性情况，设置高、低优先级矩阵P_R；基于光伏电池供电能力，设置供电能力矩阵，并根据光伏功率的大小实时修正供电能力矩阵；基于最大限度地使用光伏电能、充分考虑市电最高电价与最低电价(峰谷电价)，在现有的系统设计容量下将市电电费降至最低的原则，制定了各开关控制规则，实现了功率的优化自动分配，最大限度地发挥光电互补供电系统的投入与产出比。

Claims

1.一种光电互补供电系统的功率优化自动分配方法，光电互补供电系统的结构包括光伏电池，光伏电池的一端依次通过光伏充电开关K₁、充电模块对蓄电池充电，其另一端依次通过光伏供电总开关K_PV、第i个负载的光伏或蓄电池供电开关K_Pi向负载供电，市电依次通过整流模块、市电充电开关K₂、充电模块对蓄电池充电，整流模块依次通过市电供电总开关K_DC、第i个负载的市电供电开关K_Di向负载供电，蓄电池通过蓄电池供电总开关K_BAT、第i个负载的光伏或蓄电池供电开关K_Pi向负载供电，其特征在于该方法包括下列顺序的步骤：

(3)检测蓄电池电量，若蓄电池未充满电且蓄电池电量未达下限或已经充满电，则断开光伏充电开关K₁、市电充电开关K₂；若蓄电池电量已达下限，而光伏发电量正常且能够满足负载所需，则闭合光伏充电开关K₁；若蓄电池电量已达下限、光伏发电量无法满足负载所需，且处于市电最低电价时间内，则闭合市电充电开关K₂；若蓄电池电量已达下限、光伏发电量无法满足负载所需，且并非处于市电最低电价时间内，则断开光伏充电开关K₁、市电充电开关K₂；

(4)分别计算光伏供电总开关K_PV、蓄电池供电总开关K_BAT、市电供电总开关K_DC、第i个负载的光伏或蓄电池供电开关K_Pi、第i个负载的市电供电开关K_Di的状态，并输出各个开关的状态；

(5)返回步骤(2)。

2.根据权利要求1所述的一种光电互补供电系统的功率优化自动分配方法，其特征在于：设光伏电池的设计功率大于等于N个负载的功率之和，即

P_{P V}^{*} &GreaterEqual; Σ_{i = 1}^{N} P_{L i}

设P_Li，i＝1，2，…，N均已知，或可测量，令

\begin{matrix} P_{P V} < P_{L 1}, & U_{C} = [\underset{N}{0}, ......., \underset{2}{0}, \underset{1}{0}] \\ P_{P V} &GreaterEqual; P_{L 1}, & U_{C} = [\underset{N}{0}, ........, \underset{2}{0}, \underset{1}{1}] \\ P_{P V} &GreaterEqual; P_{L 1} + P_{L 2}, & U_{C} = [\underset{N}{0}, ......, \underset{3}{0}, \underset{2}{1}, \underset{1}{1}] \\ . & . \\ . & . \\ . & . \\ P_{P V} &GreaterEqual; P_{L 1} + P_{L 2} + ... + P_{L k}, & U_{C} = [\underset{N}{0}, ...0, \underset{k}{1}, \underset{...}{...}, \underset{1}{1}] \\ . & . \\ . & . \\ . & . \\ P_{P V} &GreaterEqual; P_{L 1} + P_{L 2} + ... + P_{L N}, & U_{C} = [\underset{N}{1}, ........ \underset{2}{1}, \underset{1}{1}] \end{matrix}

即根据P_PV的大小，U_C的变化范围可定义为U_C＝[0，…，0，0]至[1，…，1，1]，U_C的数值越大表明光伏电池供电能力越强，反之越弱，其中，P_PV是光伏电池的实际功率，小于设计功率P_Li是第i负载的功率。

3.根据权利要求1所述的一种光电互补供电系统的功率优化自动分配方法，其特征在于：所述光伏充电开关K₁＝1表示闭合，K₁＝0表示断开；所述蓄电池充电开关，K₂＝1表示闭合，K₂＝0表示断开。

4.根据权利要求1所述的一种光电互补供电系统的功率优化自动分配方法，其特征在于：所述光伏供电总开关K_PV＝u₁+u₂+…+u_N，K_PV＝1表示闭合，K_PV＝0表示断开；所述蓄电池供电总开关K_BAT＝1表示闭合，K_BAT＝0表示断开；所述市电供电总开关u＝u₁·u₂·…·u_N，K_DC＝1表示闭合，K_DC＝0表示断开；“+”表示“或”运算，“·”表示“与”运算。

5.根据权利要求1所述的一种光电互补供电系统的功率优化自动分配方法，其特征在于：所述第i个负载的光伏或蓄电池供电开关K_Pi＝u_i·K_PV+K_BAT，K_Pi＝1表示闭合，K_Pi＝0表示断开；所述第i个负载的市电供电开关K_Di＝1表示闭合，K_Di＝0表示断开；“+”表示“或”运算，“·”表示“与”运算。