CN110707747A - 含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统。双向计量装置，智能逆变器，光伏电池板，储能蓄电池和能效管理系统，能效管理系统与智能逆变器连接，智能逆变器分别与光伏电池板和储能蓄电池连接，能效管理系统还与本地负载连接，电网与双向计量装置连接，双向计量装置分别与智能逆变器和本地负载连接；能效管理系统具有并网运行策略、离网运行策略和储能系统运行策略。本发明一种含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统，先根据单个家庭的用电情况，制定相应的控制策略分为并网运行策略和离网运行策略，根据具体运行控制策略编写PLC程序，实现PLC对发电单元、储能单元和负载等单元的控制，具有相当大的实用性。

Description

含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统
技术领域
本发明涉及一种含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统。属于综合能源系统管理领域。
背景技术
国网北京市电力公司积极推行“煤改电”工程建设。随着北京市“煤改电”规模不断增大，为了实现偏远地区“煤改电”，充分利用当地可再生能源，能源消费的形式实现电气化，充分考虑分布式电源辅助供电、光热辅助供热、高效电采暖设备、夏季冷源以及蓄热、电动汽车与家庭用电V2H双向互动系统，满足家庭用电、供暖、制冷、热水等综合需求，兼顾多种能源品位差异，集成多种高效能源转换装置，提升能源综合利用系统效率，急需研发户用多能互补“煤改电”协调控制策略和综合能源利用管理系统。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统。
本发明的目的是这样实现的：
一种含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统，其特点是：它包括双向计量装置，智能逆变器，光伏电池板，储能蓄电池和能效管理系统，能效管理系统与智能逆变器连接，智能逆变器分别与光伏电池板和储能蓄电池连接，能效管理系统还与本地负载连接，电网与双向计量装置连接，双向计量装置分别与智能逆变器和本地负载连接；
能效管理系统具有并网运行策略、离网运行策略和储能系统运行策略；
并网运行策略如下：
当P发电＞P负荷且Soc＜SocMax；△P1输送到微电网储能系统；
当P发电＞P负荷且Soc＝SocMax；△P1输送到电网；
当P发电＝P负荷；系统达到暂态平衡，不进行能量调度控制；
当P发电＜P负荷且Socmin＜Soc；△P2由微电网储能系统提供；
当P发电＜P负荷且Socmin＝Soc；△P2由电网提供；
其中，P发电表示光伏电池板的发电功率，P负荷表示本地负载的负荷功率；SOCmin表示储能蓄电池最低容量下限；SOCmax表示储能蓄电池最高容量上限；△P1＝P发电-P用电，△P1表示发电大于用电时微电网盈余功率；△P2＝P用电-P发电，△P2表示用电大于发电时微电网不足功率；
离网运行策略如下：
当P发电＞P负荷且Soc＜SocMax；△P1输送到微电网储能系统；
当P发电＞P负荷且Soc＝SocMax；△P1为发电单元减小的功率；
当P发电＝P负荷；系统达到暂态平衡，不进行能量调度控制；
当P发电＜P负荷且Socmin＜Soc；△P2由微电网储能系统提供；
当P发电＜P负荷且Socmin＝Soc；△P2为负荷切投的功率；
其中，P发电表示光伏电池板的发电功率；P负荷表示本地负载的负荷功率；SOCMin表示储能蓄电池最低容量下限；SOCMax表示储能蓄电池最高容量上限；△P1＝P发电-P用电，△P1表示发电大于用电时微电网盈余功率；△P2＝P用电-P发电表示用电大于发电时微电网不足功率；
储能系统运行策略如下：
当V＞Vmax，过压报警；当V＜Vmin，欠压报警；当V单＞V单max，储能蓄电池单体电池过压报警；当V单＜V单min，储能蓄电池单体电压欠压报警；当T不在Tmin～Tmax范围内，储能蓄电池温度异常报警；当SOC＜SOCmin，储能容量不足，储能蓄电池只能设置充电不能放电；当SOC＞SOCmax，电池充满，储能蓄电池只能设置放电不能充电；
其中，Vmin表示储能蓄电池总电压下限；Vmax表示储能蓄电池总电压上限；V表示储能蓄电池总电压；V单min表示储能蓄电池单体电池电压下限；V单max表示储能蓄电池单体电池电压上限；V单表示储能蓄电池单体电池电压；T表示储能蓄电池温度；Tmin表示储能蓄电池温度下限；Tmax表示储能蓄电池温度上限；SOC表示储能蓄电池容量；SOCMin表示储能蓄电池最低容量下限；SOCMax表示储能蓄电池最高容量上限。
进一步的，本地负载包括冰箱、电灯、电脑、电饭锅等终端设备。
进一步的，还包括户用光伏微电网能源管理监控系统，户用光伏微电网能源管理监控系统包括主控监控界面和子系统监控界面。
进一步的，人机界面画面采用组态王软件制作。
进一步的，主控监控界面在新建页面后，分别插入监控站、交换机、微电网中央控制器和四个家庭示图的点位图。
进一步的，子系统监控界面在新建页面后，分别插入光伏电池板、智能逆变器、电网、微电网中央控制器、储能逆变器、电池、电池管理系统和三个负载示意图的点位图。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统，先根据单个家庭的用电情况，制定相应的控制策略分为并网运行策略和离网运行策略，根据具体运行控制策略编写PLC程序，实现PLC对发电单元、储能单元和负载等单元的控制。最后使用组态王软件制作对发电功率、负载功率、负载耗电量、电池状态等数据进行监控的界面，本发明通过使用PLC编程和组态王实现对家庭能源的管理，具有相当大的实用性。
附图说明
图1为本发明的户用光伏微电网结构图。
图2为本发明的并网运行策略的流程图。
图3为本发明的离网运行策略的流程图。
图4为本发明的储能系统运行策略的流程图。
图5为本发明的PLC程序的网络0的示意图。
图6为本发明的PLC程序的网络1的示意图。
图7为本发明的PLC程序的网络2的示意图。
图8为本发明的PLC程序的网络3的示意图。
图9为本发明的PLC程序的网络4的示意图。
图10为本发明的PLC程序的网络5的示意图。
图11为本发明的PLC程序的网络6的示意图。
图12为本发明的PLC程序的网络7的示意图。
图13为本发明的PLC程序的网络8的示意图。
图14为本发明的PLC程序的网络9的示意图。
图15为本发明的PLC程序的网络10的示意图。
图16为本发明的PLC程序的网络11的示意图。
图17为本发明的PLC程序的网络12的示意图。
图18为本发明的PLC程序的网络13的示意图。
图19为本发明的PLC程序的网络14的示意图。
图20为本发明的PLC程序的网络15的示意图。
图中：
电网1，双向计量装置2，智能逆变器3，光伏电池板4，储能蓄电池5，本地负载6，能效管理系统7。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参见图1，本发明涉及一种含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统，包括双向计量装置2，智能逆变器3，光伏电池板4，储能蓄电池5和能效管理系统7，能效管理系统7与智能逆变器3连接，智能逆变器3分别与光伏电池板4和储能蓄电池5连接，能效管理系统7还与本地负载6连接，本地负载6包括冰箱、电灯、电脑、电饭锅等终端设备，电网1与双向计量装置2连接，双向计量装置2分别与智能逆变器3和本地负载6连接；
能效管理系统7具有并网运行策略、离网运行策略和储能系统运行策略。
参见图2，P发电表示家庭微电网内部实时发电功率(光伏电池板4的发电功率)，P负荷:表示家庭微电网内部实时负荷功率(本地负载6的负荷功率)；SOCmin表示储能电池(储能蓄电池5)最低容量下限；SOCmax表示储能电池(储能蓄电池5)最高容量上限；△P1＝P发电-P用电，△P1表示发电大于用电时微电网盈余功率；△P2＝P用电-P发电，△P2表示用电大于发电时微电网不足功率。
并网运行策略如下：
当P发电＞P负荷且Soc＜SocMax；△P1输送到微电网储能系统(储能蓄电池5)。
当P发电＞P负荷且Soc＝SocMax；△P1输送到电网1。
当P发电＝P负荷；系统达到暂态平衡，不进行能量调度控制。
当P发电＜P负荷且Socmin＜Soc；△P2由微电网储能系统(储能蓄电池5)提供。
当P发电＜P负荷且Socmin＝Soc；△P2由电网1提供。
并网运行策略主要是电网1参与到能量调度中来，可以使用电网1的电能输送给微电网内部负荷(本地负载6负荷)及储能单元(储能蓄电池5)。家庭微电网首先获取数据并进行数据处理，在对微电网实时发电功率和实时用电功率进行对比判断，并根据储能系统的容量SOC进行给储能蓄电池5充电或是进行电能输送到区域微电网中。
参见图3，P发电表示家庭微电网内部实时发电功率(光伏电池板4的发电功率)；P负荷表示家庭微电网内部实时负荷功率(本地负载6的负荷功率)；SOCMin表示储能电池(储能蓄电池5)最低容量下限；SOCMax表示储能电池(储能蓄电池5)最高容量上限；△P1＝P发电-P用电，△P1表示发电大于用电时微电网盈余功率；△P2＝P用电-P发电表示用电大于发电时微电网不足功率。
离网运行策略如下：
当P发电＞P负荷且Soc＜SocMax；△P1输送到微电网储能系统。
当P发电＞P负荷且Soc＝SocMax；△P1为发电单元减小的功率。
当P发电＝P负荷；系统达到暂态平衡，不进行能量调度控制。
当P发电＜P负荷且Socmin＜Soc；△P2由微电网储能系统提供。
当P发电＜P负荷且Socmin＝Soc；△P2为负荷切投的功率
离网运行策略是指电网1不参与到能量调度中来，在出现电能不足或是盈余时电网1不能进行调节只能进行切负荷(本地负载6负荷)或是减小发电单元(光伏电池板4)输出功率。家庭微电网首先获取数据并进行数据处理，在对微电网实时发电功率和实时用电功率进行对比判断，并根据储能系统的容量SOC进行给储能蓄电池5充电或是进行电负荷切，发电单元输出功率限制。
参见图4，
Vmin表示储能系统总电压下限；Vmax表示储能系统总电压上限；V表示储能系统总电压；V单min表示储能系统单体电池电压下限；V单max表示储能系统单体电池电压上限；V单表示储能系统单体电池电压；T表示储能系统温度；Tmin表示储能系统温度下限；Tmax表示储能系统温度上限；SOC表示储能电池容量；SOCMin表示储能电池最低容量下限；SOCMax表示储能电池最高容量上限。
储能系统运行策略如下：
储能系统运行策略主要是判断储能蓄电池5总电压、温度、单体电压等数据，当V＞Vmax过压报警；当V＜Vmin欠压报警；当单体电池电压V单＞V单max单体电池过压报警；当V单＜V单min单体电压欠压报警；当储能系统温度不在此Tmin≤T≤Tmax范围内，温度异常报警；当SOC＜SOCmin储能容量不足，储能系统只能设置充电不能放电；当SOC＞SOCmax电池充满，储能系统只能设置放电不能充电。
储能系统主要是实时与储能管理单元BMS之间通讯，实时获取储能系统SOC、电池总电压、电流、温度以及单体电池电压、电流、温度等数据。并进行欠压、过压、过温绝缘监测等报警。并根据储能系统的状态信息进行判断储能系统是否可进行充电或是放电控制。
本发明的PLC程序如下：
参见图5，网络0这条指令是MODBUS站地址设置指令SADDR。使用特殊功能位“09925”上电初始化串口属性。40200设置站地址，设置主站N80的PLC为串口“2”，MUDBUS主站地址设置为站地址“1”。40201设置波特率为“9600”。40202设置奇偶校验为“2”偶校验。40203为“2”为停止位。40204、40205设置默认帧超时时间。
参见图6，网络1是进行模拟模式的切换。并且使用BLKM进行批量赋值。
参见图7，网络2是用电表实际采集量进行赋值。图7中表1为本地负载的第一负载的电表，表2为本地负载的第二负载的电表。表3为本地负载的第一三负载的电表，表4为发电单元(光伏电池板)的电表。表5为接在电网端的电表。
参见图8-9，网络3是系统的启动，并网和离网的切换；网络4是系统的停止。
参见图10，网络5是系统运行状态的显示。分为并网运行状态、离网运行状态和停止状态。
参见图11，网络6使用RCMP比较指令进行电池状态的控制。当上节点>中节点时，上节点输出ON，中、下节点输出OFF。当上节点＝中节点时，中节点输出ON，上、下节点输出OFF。当上节点<中节点时，下节点输出ON，上、中节点输出OFF。当前设置的电池SOC为55％，过放触发为20％，过放解除为40％。所以并不触发过放线圈。
参见图12，网络7与网络6同理，网络7设置的电池SOC为55％，过充触发为95％，过充解除为90％。所以并不触发过放线圈。
参见图13，网络8为电池稳定的线圈。当前既无过充也无过放，所以线圈通电。00301与00302为互锁。
参见图14，网络9是对电池SOC的监控和显示。41000为“1”时，电池为放电状态。41000为“2”时，电池为充电状态。41000为“3”时，电池既不充电也不放电。
参见图15，网络10使用ADBL指令进行负载总功率的计算。并且使用RCMP指令进行比较，判断需要多输出功率还是多储存功率。
参见图16，网络11使用ADBL加法指令，计算三个负载的消耗的总电量。
参见图17，网络12通过使用减法指令SBBL，得出负载总功率和发电总功率的大小关系，从而控制电池是放电还是充电。当数相减的结果＞0(上节点>中节点)时，O1输出。当数相减的结果＝0(上节点＝中节点)时，O2输出。当相减的结果＜0(上节点<中节点)时，O3输出。
参见图18-20，网络13为电池处于过放状态，网络14为电池处于过充状态，网络15为电池处于稳定状态，当电池处在过放状态中，且还在放电，此时需要将储能逆变器功率的高、低字节都赋值0，强制让其停止放电。网络14、15的作用为，当电池过充且不再充电或者稳定时，让电池的充电功率等于储能逆变器的功率。从而维持电池状态稳定。
本发明还包括户用光伏微电网能源管理监控系统，户用光伏微电网能源管理监控系统包括主控监控界面和子系统监控界面，人机界面画面采用用组态软件制作。
主控监控界面在新建页面后，分别插入监控站、交换机、微电网中央控制器和四个家庭示图的点位图。
子系统监控界面在新建页面后，分别插入光伏电池板、智能逆变器、电网、微电网中央控制器、储能逆变器、电池、电池管理系统和三个负载示意图的点位图。
本发明利用智能逆变器3，可以实现并网运行模式和离网运行两种工作模式。在并网工作的时候，输出的有功功率和无功功率的大小可以接受能效管理系统7的控制指令。双向计量装置2可以实现对用户与电网之间功率交换进行双向计量。如果光伏电池板4的发电功率大于本地负载6的用电功率，并且储能蓄电池5的电量也充足的情况下，可以将多余的电量送到电网。在偏远山区或者电网不稳定的地区，可能出现电网故障或者电网不稳定的情况，此时能效管理系统7可以断开并网开关(双向计量装置2断开)，系统工作在独立模式，由光伏电池板4发电和储能蓄电池5来提供电能，智能逆变器3工作在电压源模式。
本发明针对北京偏远地区居民用户的用能特点以及对各种能源(电能、热能和冷能)的需求，分析其变化规律。根据多能互补户用“煤改电”综合能源利用系统的变工况、多场景运行模式与特性，研究综合能源利用系统的最优运行控制策略，开发户用光伏微电网能源管理系统运行监控软件。本发明根据户用光伏微电网能源管理系统是根据单个家庭的用电情况，制定相应的控制策略。如并网运行策略和离网运行策略。再根据这些运行控制策略编写PLC程序，实现PLC对发电单元、储能单元和负载等单元的控制。最后使用组态王软件制作对发电功率、负载功率、负载耗电量、电池状态等数据进行监控的界面。将设备的工作状态和当前的用电状态通过人机界面实时反映给用户。相比于传统的家庭用电模式，这个家庭能源管理系统具有可以更加节能、减少CO2的排放和最小化用户用电费用等优势。
在上述实施例中，仅对本发明进行示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (6)

1.一种含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统，其特征在于：它包括双向计量装置，智能逆变器，光伏电池板，储能蓄电池和能效管理系统，能效管理系统与智能逆变器连接，智能逆变器分别与光伏电池板和储能蓄电池连接，能效管理系统还与本地负载连接，电网与双向计量装置连接，双向计量装置分别与智能逆变器和本地负载连接；
能效管理系统具有并网运行策略、离网运行策略和储能系统运行策略；
并网运行策略如下：
当P发电＞P负荷且Soc＜SocMax；△P1输送到微电网储能系统；
当P发电＞P负荷且Soc＝SocMax；△P1输送到电网；
当P发电＝P负荷；系统达到暂态平衡，不进行能量调度控制；
当P发电＜P负荷且Socmin＜Soc；△P2由微电网储能系统提供；
当P发电＜P负荷且Socmin＝Soc；△P2由电网提供；
其中，P发电表示光伏电池板的发电功率，P负荷表示本地负载的负荷功率；SOCmin表示储能蓄电池最低容量下限；SOCmax表示储能蓄电池最高容量上限；△P1＝P发电-P用电，△P1表示发电大于用电时微电网盈余功率；△P2＝P用电-P发电，△P2表示用电大于发电时微电网不足功率；
离网运行策略如下：
当P发电＞P负荷且Soc＜SocMax；△P1输送到微电网储能系统；
当P发电＞P负荷且Soc＝SocMax；△P1为发电单元减小的功率；
当P发电＝P负荷；系统达到暂态平衡，不进行能量调度控制；
当P发电＜P负荷且Socmin＜Soc；△P2由微电网储能系统提供；
当P发电＜P负荷且Socmin＝Soc；△P2为负荷切投的功率；
其中，P发电表示光伏电池板的发电功率；P负荷表示本地负载的负荷功率；SOCMin表示储能蓄电池最低容量下限；SOCMax表示储能蓄电池最高容量上限；△P1＝P发电-P用电，△P1表示发电大于用电时微电网盈余功率；△P2＝P用电-P发电表示用电大于发电时微电网不足功率；
储能系统运行策略如下：
当V＞Vmax，过压报警；当V＜Vmin，欠压报警；当V单＞V单max，储能蓄电池单体电池过压报警；当V单＜V单min，储能蓄电池单体电压欠压报警；当T不在Tmin～Tmax范围内，储能蓄电池温度异常报警；当SOC＜SOCmin，储能容量不足，储能蓄电池只能设置充电不能放电；当SOC＞SOCmax，电池充满，储能蓄电池只能设置放电不能充电；
其中，Vmin表示储能蓄电池总电压下限；Vmax表示储能蓄电池总电压上限；V表示储能蓄电池总电压；V单min表示储能蓄电池单体电池电压下限；V单max表示储能蓄电池单体电池电压上限；V单表示储能蓄电池单体电池电压；T表示储能蓄电池温度；Tmin表示储能蓄电池温度下限；Tmax表示储能蓄电池温度上限；SOC表示储能蓄电池容量；SOCMin表示储能蓄电池最低容量下限；SOCMax表示储能蓄电池最高容量上限。
2.根据权利要求1所述的一种含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统，其特征在于：本地负载包括冰箱、电灯、电脑、电饭锅等终端设备。
3.根据权利要求1所述的一种含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统，其特征在于：还包括户用光伏微电网能源管理监控系统，户用光伏微电网能源管理监控系统包括主控监控界面和子系统监控界面。
4.根据权利要求3所述的一种含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统，其特征在于：人机界面画面采用组态王软件制作。
5.根据权利要求3所述的一种含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统，其特征在于：主控监控界面在新建页面后，分别插入监控站、交换机、微电网中央控制器和四个家庭示图的点位图。
6.根据权利要求3所述的一种含煤改电设备的户用光伏微电网能源管理系统，其特征在于：子系统监控界面在新建页面后，分别插入光伏电池板、智能逆变器、电网、微电网中央控制器、储能逆变器、电池、电池管理系统和三个负载示意图的点位图。
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