CN106998078A - 一种家用光伏发电能量管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种家用光伏发电能量管理系统及方法，系统包括光伏电池、逆变器、电网和负载；所述光伏电池将太阳能转换为电能；所述逆变器将所述光伏电池产生的不稳定的直流电转换为电压恒定的交流电，以向电网或者家用负载供电；为了让用户的电费以及电网的能量消耗最小，需要合适的控制方法，并为此建立一个同时考虑配电方式以及家电规划的系统；同时，考虑用户的不便性，通过平衡电费、电能消耗和不便性得到控制方法。通过解决一个混合整型非线性规划问题得到控制方法，并且可以通过得到的控制方法减少电费以及能量消耗，并且提高管理效能。系统简单，控制方法有经济和环境效益，利于用户使用。

Description

一种家用光伏发电能量管理系统及方法

技术领域

本发明属于光伏能源技术领域，具体涉及一种家用光伏发电能量管理系统及方法。

背景技术

人们对能源的需求不断增加，而大部分能源来源于化石燃料，由于化石燃料的燃烧产生的废气，环境问题日益凸显。对此，为了减少化石燃料的使用，人们采取了很多措施，如合理控制配电，以及增加使用可再生能源的比例。一方面，我们可以通过控制电能流向以更高效地利用电能；另一方面，引进可再生能源可以进一步减少化石燃料的使用量，因为电能可以由其他能源提供。自然界中多种可再生能源，如风能、潮汐能、太阳能等等，其中最容易获得以及使用的是太阳能，因此，从个人用户的角度来考虑，太阳能是合适的能量来源。通过结合电网的电能以及通过太阳能获得的电能，可以减少电网能量的消耗以及节省电费。

现在有很多关于家用光伏系统的专利，如公开号为CN 104184394A，名称为“一种家用离网光伏发电系统”的发明专利，但目标多为解决停电时对家电的供电问题，而没有针对利用太阳能减少电费以及电能消耗的专利。而公开号为CN 202617043U，名称为“家用光伏供电系统”的发明专利，提出了将光伏系统和电网结合起来向家用电器供电的方法，但是主要目的是在太阳能的供给足够的条件下，将电源从电网切换到蓄电池，以达到减少电费的经济效益。通过这种方法虽然可以一定程度地减少电费以及电能消耗，但是不能最大地利用太阳能。并且，上述系统都使用了蓄电池储存电能，而考虑到蓄电池的成本和寿命，以及对环境的影响，上述系统的经济效益和环境效益都被限制。因此，有必要提出有效的注重环境和经济效益的方案，同时，也要考虑用户的用电习惯。

发明内容

为了解决现在技术中缺少有效利用太阳能以减少电费以及电能消耗的方案的问题，本发明提供了一种家用光伏发电能量管理系统及方法，以在同时考虑电费、耗电量以及用户不便性的条件下得到配电方案，并且可以根据用户的不同要求调整控制方法，并通过得到的控制方法达到减少电费和用电量的目标。

本发明的系统所采用的技术方案是：1.一种家用光伏发电能量管理系统，其特征在于：包括光伏电池、逆变器、电网和负载；

所述光伏电池将太阳能转换为电能；所述逆变器将所述光伏电池产生的不稳定的直流电转换为电压恒定的交流电，以向电网或者家用负载供电；

2.根据权利要求1所述的家用光伏发电能量管理系统，其特征在于：所述系统还配置有受控开关和控制模块，所述逆变器与电网、逆变器与负载、电网与负载之间均设置有受控开关，所述受控开关在所述控制模块控制下，控制光伏电池的供电对象。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种家用光伏发电能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、设定约束条件：

0≤P₁(t)≤η₁P_pv(t)；

0≤P₂(t)≤η₂P_pv(t)；

0≤P₃(t)≤U_sI_max；

P₂(t)+P₃(t)＝P_l(t)；

P₁(t)/η₁+P₂(t)/η₂＝P_pv(t)；

P₁(t)P₂(t)＝0，P₂(t)P₃(t)＝0；

其中η₁和η₂是逆变器并网端和负载端的效率，P₁(t)和P₂(t)分别是光伏电池在t时刻通过逆变器向电网以及负载提供的功率，P_pv(t)是光伏电池在t时刻的功率；P₃(t)是电网在t时刻向负载提供的功率，U_s是标准市电电压，I_max是允许用户使用的最大电流；P_l(t)是负载在t时刻的总功率；P₁(t)P₂(t)＝0，P₂(t)P₃(t)＝0表示逆变器不同时向电网以及负载供电，负载在同一时刻的电能来源是光伏电池或者电网之一；

步骤2、将一天的时间均分为N部分，即控制间隔为Δt分钟；

Δt＝(24×60)÷N；

步骤3、定义一天的总电费：

其中：N是控制间隔的个数，ρ(t)是t时刻的电费单价，ρ′是将电卖回电网的单价，Δt是控制间隔；

步骤4、定义一天总耗能：

不便性

其中i是负载的序号，和u_i(t)是二进制数，值为1时代表第i个负载在t时刻工作，值为0时代表第i个负载在t时刻不工作，是用户平时对负载的使用安排，u_i(t)是系统对负载使用的安排；

由此定义

其中A是讨论的负载总数，γ_i是编号为i的负载的权重系数；

步骤5、最终得到目标函数：

Minf＝δJ_c与αJ_e与θβ；

其中δ、α和θ是电费、电能消耗和不便性的权重系数，由此建立了一个混合整形非线性规划问题，通过求解目标函数的最小值得到控制方法。

本发明由于采用分时电价，可以通过调整用电时间来改变电费，如避开用电高峰期，而尽量在用电低谷期用电，这样可以一定程度地减少电费。随着智能家居系统以及智能家电的普及，通过有线或者无线通信方式的控制器来控制各个家电的工作状态成为了可能，同时，还可以方便地对各类配电开关进行控制以分配电能流向，比如通过控制器控制光伏电池或者电网向家用电器供电；由于用户的用电线路已经确定，因此分别控制每个家电的电源会大大增加成本，因此，所有家电使用同一电源，即同时由光伏电池供电或者由电网供电。并且，本发明中的系统不使用蓄电池，因此成本得到了降低，并且不对环境造成污染。

同时，为了提高管理方法的实用性，不仅仅考虑如何减少用电量以及电费，而在此基础上进一步考虑“需求侧管理”，让控制方法适用于有不同需求的用户，通过平衡电费、电能消耗和用户不便性得到的控制方法，可以在考虑用户不便性的条件下最大地减少用电量以及电费；并且，此系统结构简单、成本低、环保，更利于发挥其经济效益以及环境效益。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构示意图；

图2为本发明实施例的光伏电池提供的功率示意图；

图3为本发明实施例的方法中情况1的控制方法；

图4为本发明实施例的方法中情况2的控制方法；

图5为本发明实施例的方法中情况3的控制方法；

图6为本发明实施例的方法中情况4的控制方法；

图7为本发明实施例的方法中情况5的控制方法；

图8为本发明实施例的方法中情况6的控制方法。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1和图2，本发明提供的一种家用光伏发电能量管理系统，包括：

1)光伏系统。光伏系统包括光伏电池、逆变器以及受控开关。光伏电池将太阳能转换为电能，并且可以由光照强度、电池板面积和转换效率得到光伏电池板的供电功率。逆变器采用并网逆变器，可以将光伏电池板产生的不稳定的直流电转换为电压恒定的交流电，以向电网或者家用电器供电。

逆变器与电网、逆变器与负载、电网与负载之间均设置有受控开关，受控开关在控制模块控制下，控制光伏电池的供电对象。

2)电网。取电网的分时电价计算，分为三种电价，分别对应用电高峰、低谷和正常的时间段。这样，可以通过调整家电的使用时间来改变电费，比如在用电低谷期使用平时用电高峰期使用的家电，这样电费就会一定程度的降低。

3)负载。一个家庭使用各种各样的家电，但是为了简化，不考虑一些功率相对较小以及很少使用的电器。并且，在考虑范围内的电器分为三类：一是灵活类型的电器，这类电器的工作时间任意，工作时间变化不给用户带来不便；二是可变类型的电器，工作时间的改变会给用户带来一定的不便，但是用户可以根据自身要求决定是否接受工作时间的变化带来的不便；三是固定类型的电器，工作时间固定，用户不愿意改变电器的使用时间。

本发明提供的一种家用光伏发电能量管理方法，包括以下步骤：

步骤1、设定约束条件：

0≤P₁(t)≤η₁P_pv(t)；

0≤P₂(t)≤η₂P_pv(t)；

0≤P₃(t)≤U_sI_max；

P₂(t)+P₃(t)＝P_l(t)；

P₁(t)/η₁+P₂(t)/η₂＝P_pv(t)；

其中η₁和η₂是逆变器并网端和家电供电端的效率，P₁(t)和P₂(t)分别是光伏电池在t时刻通过逆变器向电网以及家电提供的功率；P₃(t)是电网在t时刻向家电提供的功率，U_s是标准市电电压，I_max是允许用户使用的最大电流；P_l(t)是家用电器在t时刻的总功率；P_pv(t)是光伏电池板在t时刻的功率。

并且，P₁(t)P₂(t)＝0，P₂(t)P₃(t)＝0，即逆变器不同时向电网以及家电供电，家电在同一时刻的电能来源是光伏电池或者电网之一。

步骤2：为了精确地控制，将一天的时间均分为288部分，即控制间隔为5分钟。为了得到关于电费、电能以及不便性的方法，定义一天的总电费N是控制间隔的个数，N＝288，ρ(t)是t时刻的电费单价，ρ′是将电卖回电网的单价，Δt是控制间隔，即5分钟；定义一天总耗能不便性其中i是家电的序号，和u_i(t)是二进制数，值为1时代表第i个家电在t时刻工作，值为0时代表第i个家电在t时刻不工作，是用户平时对家电的使用安排，u_i(t)是控制方法中对家电使用的安排，由此定义其中A是讨论的家电总数，γ_i是编号为i的家电的权重系数。最终得到目标函数Minf＝δJ_c+αJ_e+θβ，其中δ、α和θ是电费、电能消耗和不便性的权重系数，建立了一个混合整形非线性规划问题，通过求解目标函数的最小值得到控制方法。

中国标准市电电压U_s＝220V，用户用电最大电流I_max＝60A，因此P₃(t)≤13200W，附图1所示逆变器选择SUN-1000G2TIL，η₁＝η₂＝90％，选择ARM控制器来执行控制方法。

取

其中t是一天中的时间，ρ′＝0.7510元/千瓦时，典型的家用电器如表1所示，光伏电池提供的功率如附图2所示。按照原计划用电，计算得电费J_c＝12.6368元，耗电J_e＝17.20千瓦时。

表1典型的家用电器

为满足不同的需求，以下分为以下6种情况讨论：

1)尽可能节省电费。通过求解Minf＝J_c，得到电费J_c＝5.3741元，电能消耗J_e＝12.58千瓦时，与原计划相比，电费减少57.47％，电能消耗减少26.86％，如附图3所示。

2)尽可能减少电能消耗。通过求解Minf＝J_e，得到电费J_c＝7.4169元，电能消耗J_e＝10.53千瓦时，与原计划相比，电费减少38.78％，电能消耗减少41.31％，如附图4所示。

3)用电计划不变的情况下尽可能减少电费。通过求解Minf＝J_c，得到电费为J_c＝6.4863元，电能消耗J_e＝15.10千瓦时，与原计划相比，电费减少48.67％，电能消耗减少12.21％，如附图5所示。

4)用电计划不变的情况下尽可能减少电能消耗。通过求解Minf＝J_e，得到电费J_c＝7.6191元，电能消耗J_e＝11.15千瓦时，与原计划相比，电费减少39.71％，电能消耗减少35.17％，如附图6所示。

5)用电计划在不便性不大于50的情况下尽可能减少电费。通过求解Minf＝J_c+θβ，得到电费J_c＝6.1669元，电能消耗J_e＝15.00千瓦时，与原计划相比，电费减少51.20％，电能消耗减少12.79％，如附图7所示。

6)用电计划在不便性不大于50的情况下尽可能减少电能消耗。通过求解Minf＝J_e+θβ，得到电费J_c＝7.2993元，电能消耗J_e＝11.00千瓦时，与原计划相比，电费减少42.24％，电能消耗减少36.05％，如附图8所示。

本发明介绍了一种家用光伏发电能量管理系统，并且可以结合需求侧管理，以达到同时考虑用户不便性的目标。从配电和用电规划两方面提出了控制方法，达到了节省电费或者减少电能消耗的目标。此系统不仅利于保护环境，还有良好的经济效益，可以同时较大地降低电能消耗量以及电费，因此，对用户而言是一个好的选择。并且，控制方法可以根据不同用户的不同需求而调整，因此，控制方法较为灵活，可以满足不同需要。最后的结果也证实了控制方法在降低能量消耗以及减少电费方面的有效性。

本发明：

(1)实现了最小化电费和用电量的目标；

(2)考虑用户的不便性；

(3)通过控制器实现控制作用；

(4)能够控制各用电器的工作状态；

(5)能够控制各配电开关状态以调整电路中电能流动方向。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种家用光伏发电能量管理系统，其特征在于：包括光伏电池、逆变器、电网和负载；

所述光伏电池将太阳能转换为电能；所述逆变器将所述光伏电池产生的不稳定的直流电转换为电压恒定的交流电，以向电网或者家用负载供电。

2.根据权利要求1所述的家用光伏发电能量管理系统，其特征在于：所述系统还配置有受控开关和控制模块，所述逆变器与电网、逆变器与负载、电网与负载之间均设置有受控开关，所述受控开关在所述控制模块控制下，控制光伏电池的供电对象。

3.一种家用光伏发电能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、设定约束条件：

0≤P₁(t)≤η₁P_pv(t)；

0≤P₂(t)≤η₂P_pv(t)；

0≤P₃(t)≤U_sI_max；

P₂(t)+P₃(t)＝P_l(t)；

P₁(t)/η₁+P₂(t)/η₂＝P_pv(t)；

P₁(t)P₂(t)＝0，P₂(t)P₃(t)＝0；

其中η₁和η₂是逆变器并网端和负载端的效率，P₁(t)和P₂(t)分别是光伏电池在t时刻通过逆变器向电网以及负载提供的功率，P_pv(t)是光伏电池在t时刻的功率；P₃(t)是电网在t时刻向负载提供的功率，U_s是标准市电电压，I_max是允许用户使用的最大电流；P_l(t)是负载在t时刻的总功率；P₁(t)P₂(t)＝0，P₂(t)P₃(t)＝0表示逆变器不同时向电网以及负载供电，负载在同一时刻的电能来源是光伏电池或者电网之一；

步骤2、将一天的时间均分为N部分，即控制间隔为Δt分钟；

Δt＝(24×60)÷N；

步骤3、定义一天的总电费：

$J_c={\mathrm{\Σ}}_{t=1}^N\[\mathrm{\ρ}\left(t\right)P_3\left(t\right)-{\mathrm{\ρ}}^{\′}{P}_1\left(t\right)\]\mathrm{\Δ}t,$

其中：N是控制间隔的个数，ρ(t)是t时刻的电费单价，ρ′是将电卖回电网的单价，Δt是控制间隔；

步骤4、定义一天总耗能：

$J_e={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{P}_3\left(t\right)\mathrm{\Δ}t;$

不便性

其中i是负载的序号，和u_i(t)是二进制数，值为1时代表第i个负载在t时刻工作，值为0时代表第i个负载在t时刻不工作，是用户平时对负载的使用安排，u_i(t)是系统对负载使用的安排；

由此定义

其中A是讨论的负载总数，γ_i是编号为i的负载的权重系数；

步骤5、最终得到目标函数：

Minf＝δJ_c与αJ_e与θβ；

其中δ、α和θ是电费、电能消耗和不便性的权重系数，由此建立了一个混合整形非线性规划问题，通过求解目标函数的最小值得到控制方法。