CN108923449A - 一种家庭能量管理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种家庭能量管理系统及方法，其中，管理方法包括：主控器采集分布式电源发电量、家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据；对比分布式电源发电量和家庭净负荷的大小，若分布式电源发电量不小于家庭净负荷，则系统断网运行在孤岛状态，由分布式电源供电，多余的电量由储能设备存储，否则，系统并网运行，主控器根据家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据通过判定规则判定储能设备从电网购入一定数量的电量或者为系统供电。与现有技术相比，本发明采取模糊控制来协调家庭内的能量分配，可以有效的帮助用户自动进行电网互动，指导用户改变能源消费组成并减少电费开支。

Description

一种家庭能量管理系统及方法
技术领域
本发明涉及节能降损、智能电网和能源互联网领域，尤其是涉及一种家庭能量管理系统及方法。
背景技术
智能电网(Smart Grid)的概念最初起源于美国，美国电科院(EPRI)最早于2000年提出了这个概念，并认为是21世纪电网的主要发展态势。2009年以来，欧盟、美国、中国及其他一些国家根据本地区的特点，制定了各自的智能电网发展路线，并启动了研发和示范项目。如今，智能电网发展已步入关键时期。欧美国家在政府资金支持下开展的研发和示范项目大部分已完成，需要总结成熟技术、提出合理的市场机制和商业模式，建立各方普遍认可的标准体系，以激励电力公司和其他私有资金投入以及用户的积极参与，为智能电网技术的大范围推广实施扫清障碍。如果将智能电网称作“电网2.0”，那么能源互联网可理解为“电网3.0”，能源互联网除了具有智能电网诸如自愈、安全可靠、经济高效、兼容、与用户友好互动等特点外，也在智能电网技术的基础上进行了升级与拓展。在由美国北卡州立大学提出的未来电网FREEDM(Future Renewable Electric Energy Delivery andManagement)系统中，为了加速消纳分布式电源，针对居民侧用户提出了以家庭为单位与智能电网的接口，也可以称为分布式智慧(Distributed Intelligence)，或是智能家庭能量管理系统(HEMS,Home Energy Management System)。智能家庭能量管理系统作为拥有智能信息感知能力的电网末梢，将大力推动电网发展。智能电网技术也为智能家庭能量管理系统带来新的发展，在各种传感器、通讯网络的技术支持下，可以实现家用电器的监控及投切，为家庭内能流优化、新能源就地消纳打下了基础。美国的用电组成中72％的电能消耗在居民用户和商业用户中，并且其中至少30％的电量是浪费的。因此，承担着削峰填谷、完成用户侧需求响应等重要任务的智能家庭能量管理系统是改变能源现状和用户能源消费模式的重要手段之一。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种家庭能量管理系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种家庭能量管理系统，包括相互连接的直流母线和交流母线，所述交流母线连接电网，所述直流母线和交流母线的每条支路以及电网入户线路上都设有可控开关，还包括主控器、双向AC-DC变流器、DC-DC转换器、储能设备和分布式电源；所述直流母线通过双向AC-DC变流器连接交流母线，所述DC-DC转换器设在直流母线的各个支路上，所述储能设备和分布式电源分别连接直流母线的支路；所述主控器连接每条支路及电网入户的可控开关，通过控制可控开关来投切设备或切除故障支路，所述主控器还连接双向AC-DC变流器，通过双向AC-DC变流器控制交流母线与直流母线间的能流传输与方向，从而控制整个系统与外界的能量交换。
优选的，所述主控器连接家庭中的电表。
优选的，所述蓄电池连接SOC检测电路，所述SOC检测电路连接主控器。
优选的，所述主控器包括载有模糊控制器的芯片。
一种采用上述家庭能量管理系统的家庭能量管理方法，包括：
主控器采集分布式电源发电量、家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据；对比分布式电源发电量和家庭净负荷的大小，若分布式电源发电量不小于家庭净负荷，则系统断网运行在孤岛状态，由分布式电源供电，多余的电量由储能设备存储，否则，系统并网运行，主控器根据家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据通过判定规则判定储能设备从电网购入一定数量的电量或者为系统供电。
优选的，所述判定规则通过模糊控制器实现。
优选的，所述家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据在模糊控制器中按照隶属度值法模糊化。
优选的，所述判定规则包括：将家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据按照隶属度值法模糊化为五个等级，不同的家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据的等级组合对应储能设备从电网购入的电量的一个等级，储能设备从从电网购入的电量按照隶属度值法模糊化为“多”、“较多”、“中等”、“少”和“无”五个等级，当等级为“无”时储能设备为系统供电。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用该家庭能量管理系统，能够实现分布式电源和负荷的灵活调整与高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源消纳问题。
2、本家庭能量管理系统是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，系统中每条支路都安有可控开关，主控器可通过控制开关来投切设备或切除故障支路，实现对家庭各个线路的可控性。
3、采取模糊控制来协调家庭内的能量分配，不需要额外预测输入的家庭能量分配，只需提供用户可接受的合理电价范围，本家庭能量管理系统就能自动控制分布式电源、外部电网、家庭负荷与家庭储能之间的能量流动，可以有效的帮助用户自动进行电网互动，指导用户改变能源消费组成并减少电费开支。
4、模糊控制良好的鲁棒性可以很好的克服实际硬件中的随机噪声，适用于不同家庭，由于不需要额外的预测数据输入，实时性较强。
附图说明
图1为实施例一中家庭能量管理系统的主拓扑结构；
图2为实施例一中模糊控制器的推理逻辑引擎的结构示意图。
图3为实施例一中家庭净负荷的隶属函数；
图4为实施例一中家庭储能SOC的隶属函数；
图5为实施例一中实时电价的隶属函数；
图6为实施例一中家庭能量管理系统购入功率的隶属函数。
图中标注：1、主控器，2、双向AC-DC变流器，3、DC-DC转换器，4、交流母线，5、直流母线，6、直流负载，7、蓄电池，8、光伏电池，9、交流负载。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示，本申请提出的一种家庭能量管理系统，包括直流母线5、交流母线4、主控器1、双向AC-DC变流器2、DC-DC转换器3、储能设备和分布式电源。交流母线4连接外部电网的220V交流电，直流母线5通过双向AC-DC变流器2连接交流母线4。直流母线5和交流母线4的每条支路以及电网入户线路上都设有可控开关，入户线路上的可控开关负责控制系统是否工作在孤岛运行状态。DC-DC转换器3设在直流母线5的各个支路上，储能设备和分布式电源分别连接直流母线5的支路，主控器1连接双向AC-DC变流器2以及所有支路和电网入户的可控开关，实现对这些元件的控制和信息采集。主控器1可通过控制开关来投切设备或切除故障支路，同时通过双向AC-DC变流器2控制交流母线4与直流母线5间的能流传输与方向，从而控制整个系统与外界的能量交换。图1中实线表示电力线，虚线表示信息流。
本实施例中，交流母线4的支路连接交流负载9，直流母线5的支路连接直流负载6、储能设备和分布式电源，本实施例中，储能设备为蓄电池7，分布式电源为光伏电池8，直流负载6包括电动汽车等需要直流的家庭用电设备。由于系统中存在交流母线4和直流母线5，仅需要稍加修改就能适应未来有可能出现的直流负载6、直流配网、交直流配网等。
本家庭能量管理系统是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，所以系统内除了主控器1、储能设备和分布式电源等一次设备以外，还包含了监控装置、保护装置、通讯线路和控制系统等组成的二次设备。
本家庭能量管理系统中，有可能出现以下几种工况：
1)当家庭内分布式电源发电量(PDG)大于等于家庭内负荷需求(PL)时，也就是PDG-PL≥0时，整个系统断网运行在孤岛状态，由分布式电源供电，多余的电量由储能设备吸收。
2)当家庭内分布式电源发电量小于家庭内负荷需求时，也就是PDG-PL<0时，系统考虑并网运行，如果此时电价较低，可以考虑大量购入电网电量，让储能设备储存低价的电量。
3)当PDG-PL<0，系统并网运行时，如果此时电价较高，可以考虑减小系统从电网的购电量，如果储能设备的剩余容量足够，则可以在外部电价较高时向系统内提供低价的电能。
鉴于本家庭能量控制系统的硬件结构所涉及元件在不同家庭中的精确建模不尽相同，并且大部分用户不了解这些详细数据，本系统采取模糊控制来协调家庭内的能量分配，主控器1包括载有模糊控制器的芯片。模糊控制良好的鲁棒性可以很好的克服实际硬件中的随机噪声，由于不需要额外的预测数据输入，实时性也较强。
从控制逻辑来看，系统从外部吸收功率(Pin)，即购入电量，主要与家庭净负荷(Pnet)、储能设备的剩余电量(SOC)及实时电价(Price)相关。所以，此家庭能量控制系统主要有三个输入变量：家庭净负荷、储能设备SOC及实时电价；以及一个输出变量：购入电量。由此，本申请提出了采用上述家庭能量管理系统的家庭能量管理方法，包括：
主控器1采集分布式电源发电量、家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据；对比分布式电源发电量和家庭净负荷大小，若分布式电源发电量不小于家庭净负荷，则系统断网运行在孤岛状态，由分布式电源供电，多余的电量由储能设备存储；若分布式电源发电量小于家庭净负荷，则控制系统并网运行，主控器1根据家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据通过模糊控制器判定储能设备从电网购入一定数量的电量或者为系统供电。图2为本实施例中模糊控制器的推理逻辑引擎的结构示意图。
本实施例中，家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据在模糊控制器中按照隶属度值法模糊化后，根据编辑的推理逻辑引擎，采用最大隶属原则解模糊，得到系统能流控制策略，给系统发出控制信号。最大隶属原则解模糊过程简单，适合于本方法对控制要求不高的场合。对于家庭净负荷，主控器1可以通过检测各电力线支路工作状态，根据事先设定的每个支路对应负载的参数计算当时家庭中使用的电器种类和数量，从而求出一个家庭净负荷的估计值。对于实时电价，若本系统所在家庭采用阶梯电价，则主控器1连接家庭中的电表来确定此刻电价所处的阶梯，从而确定实时电价；若家庭采用峰谷电价，则通过预先输入电价计费规则后确定不同时刻的实时电价。对于储能设备剩余电量的采集，蓄电池7连接有SOC检测电路，SOC检测电路连接主控器1，主控器1可以通过SOC检测电路实时检测蓄电池7的剩余电量。
本实施例中，将各个输入、输出变量依据大小分为五个等级，以实时电价为例，将电价分为极低、低、正常、高以及极高，其他变量的分级如图3～图6所示，分别为家庭净负荷、储能设备剩余电量、实时电价、系统购入电量的隶属函数。本实施例中提出的隶属函数只是一种建议，可以根据用户的实际需求进行更改。
在以上隶属函数的前提下，本实施例给出模糊控制器的规则引擎如下，其中“储能SOC”表示储能设备的剩余电量：
表1电价极低时的购入电量
表2电价低时的购入电量
表3电价正常时的购入电量
表4电价高时的购入电量
表5电价极高时的购入电量
在表格4、5中电价高和极高时，购入电量为“无”的情况下储能设备为系统供电。
实施例二
由于家庭现存负荷大部分为交流负载9，本实施例中，优选的家庭内所有负载都放在系统的交流侧，这样能有效加快负载身份的识别，而在直流侧只连接家庭的储能设备与分布式电源。对于需要直流电的负载，则通过外部的整流器连接交流电路使用。
本实施例中，家庭能量管理系统的其他结构以及管理方法与实施例一中相同。
实施例三
本实施例中，家庭能量管理系统在模糊控制器中采用重心法解模糊，与最大隶属度法相比较，重心法具有更平滑的输出推理控制，即使对应于输入信号的微小变化，输出也会发生变化。本实施例中，家庭能量管理系统的结构和管理方法的其他设置与实施例一中相同。
本实施例中，以来自澳大利亚珀斯市中一户带光伏逆变器的居民用户的日负荷曲线与日光伏发电量来做算例，根据家庭储能设备的容量不同，可以得出以下结论：
表6算例数据
储能设备容量/kWh 一天电费/元
不使用能量管理系统 3.207
1.2kWh 3.150
3.0kWh 2.980
4.5kWh 2.857
从表6可以看到，采用本能量管理系统的拓扑及管理方法，能为用户减少电费，改善用户能源使用方式，并且储能设备的容量越大，节省的电费越多。

Claims (8)

1.一种家庭能量管理系统，包括相互连接的直流母线和交流母线，所述交流母线连接电网，所述直流母线和交流母线的每条支路以及电网入户线路上都设有可控开关，其特征在于，还包括主控器、双向AC-DC变流器、DC-DC转换器、储能设备和分布式电源；所述直流母线通过双向AC-DC变流器连接交流母线，所述DC-DC转换器设在直流母线的各个支路上，所述储能设备和分布式电源分别连接直流母线的支路；所述主控器连接每条支路及电网入户的可控开关，通过控制可控开关来投切设备或切除故障支路，所述主控器还连接双向AC-DC变流器，通过双向AC-DC变流器控制交流母线与直流母线间的能流传输与方向，从而控制整个系统与外界的能量交换。
2.根据权利要求1所述的一种家庭能量管理系统，其特征在于，所述主控器连接家庭中的电表。
3.根据权利要求2所述的一种家庭能量管理系统，其特征在于，所述储能设备连接SOC检测电路，所述SOC检测电路连接主控器。
4.根据权利要求3所述的一种家庭能量管理系统，其特征在于，所述主控器包括载有模糊控制器的芯片。
5.一种采用权利要求4所述家庭能量管理系统的家庭能量管理方法，其特征在于，包括：
主控器采集分布式电源发电量、家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据；对比分布式电源发电量和家庭净负荷的大小，若分布式电源发电量不小于家庭净负荷，则系统断网运行在孤岛状态，由分布式电源供电，多余的电量由储能设备存储，否则，系统并网运行，主控器根据家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据通过判定规则判定储能设备从电网购入一定数量的电量或者为系统供电。
6.根据权利要求5所述的一种家庭能量管理方法，其特征在于，所述判定规则通过模糊控制器实现。
7.根据权利要求6所述的一种家庭能量管理方法，其特征在于，所述家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据在模糊控制器中按照隶属度值法模糊化。
8.根据权利要求7所述的一种家庭能量管理方法，其特征在于，所述判定规则包括：将家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据按照隶属度值法模糊化为五个等级，不同的家庭净负荷、储能设备剩余电量和实时电价数据的等级组合对应储能设备从电网购入的电量的一个等级，储能设备从电网购入的电量按照隶属度值法模糊化为“多”、“较多”、“中等”、“少”和“无”五个等级，当等级为“无”时储能设备为系统供电。
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