CN116231707B - 一种家用光伏及储能智慧能源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种家用光伏及储能智慧能源系统，包括：逐时能耗计划子系统，用于根据每年中工作日及节假日的人员外出及居家时间段、以及每个时间段对各设备的使用需求，构建各设备一年中每一天的逐时能耗计划，并根据外部环境变化和/或短期人员作息变化对所述逐时能耗计划进行适应性调整。本发明利用光伏及储能设备给家用设备供电，利用市电作为备用能源，构建智能调控系统对光伏及储能的工作状态进行实时监控并控制，确定不同模式下的逐时运行策略，具备智能化程度高、运行更为稳定且节能的特点。
Description
技术领域
本发明涉及电力控制技术领域，更具体的说是涉及一种家用光伏及储能智慧能源系统。
背景技术
分布式光伏发电是指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，其倡导就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。同时其遵循因地制宜、清洁高效、分散布局、就近利用的原则，充分利用当地太阳能资源，替代和减少化石能源消费。应用最为广泛的分布式光伏发电系统，是建在城市建筑物屋顶的光伏发电项目，该类项目必须接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电，这种应用形式具有环保效益突出、有效缓解局部用电紧张、较高的投资收益率等优点。
分布式光伏发电系统一般会搭配储能形成局部微电网系统，微电网是为了推进可再生能源利用而提出的一种新型电网结构，具体是由可再生能源、储能系统和负荷组成的区域型电网形式，作为独立的整体，既可以并网运行，也可以在离网状态下孤岛运行。作为微网组成模块的储能系统是微电网中的能源缓冲环节，对微电网起着提高控制稳定性、提升微电网电能质量、维持微网的功率平衡、改善微电网抗干扰能力等重要作用。此外，微电网中的储能系统在电网供电中断的情况下还可作应急备用。
目前的家用光伏微电网系统通常是在固定模式下运行，无法结合外部环境进行适应性调整，智能化程度较低。
因此，如何提供一种运行模式可智能化调控，运行更为稳定且节能的家用光伏及储能智慧能源系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种家用光伏及储能智慧能源系统，其运行模式可智能化调控，运行更为稳定且节能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种家用光伏及储能智慧能源系统，包括：
逐时能耗计划子系统，用于根据每年中工作日及节假日的人员外出及居家时间段、以及每个时间段对各设备的使用需求，构建各设备一年中每一天的逐时能耗计划，并根据外部环境变化和/或短期人员作息变化对所述逐时能耗计划进行适应性调整。
进一步的，所述逐时能耗计划子系统用于根据各时间段对应的天气预报确定发生变化、且对设备运行有影响的外部环境因素，并对与该变化的外部环境因素相关联的用电设备的逐时能耗计划进行调整。
进一步的，所述逐时能耗计划子系统用于通过人工设置、大数据云计算或各设备的历史运行数据生成所述逐时能耗计划。
进一步的，还包括：光储智能调控子系统；所述光储智能调控子系统包括：电网模块、储能模块、光伏模块、供电模块和智能调控模块；
所述智能调控模块用于对所述逐时能耗计划子系统发送的各设备的逐时能耗计划进行分析，生成下一时段的供电模式；在确定电路反馈信息中无异常后再发送控制信号，并根据所述储能模块和所述光伏模块的反馈信号对供电模式进行适应性切换；其中，所述供电模式包括：电网供电模式、储能供电模式或光伏供电模式；
所述光伏模块用于根据所述智能调控模块发送的控制信号，确定自身工作模式，包括：向所述供电模块供电、向所述储能模块输电、同时向所述供电模块及所述储能模块供电三种模式，并实时反馈工作状态信号至所述智能调控模块；
所述储能模块用于根据所述智能调控模块发送的控制信号，确定自身工作模式，包括：向所述供电模块供电、储存所述光伏模块的电能、同时向所述供电模块供电及储存所述储能模块的电能三种模式，并实时反馈工作状态信号至所述智能调控模块；
所述电网模块用于根据所述智能调控模块发送的控制信号，确定自身工作模式，包括：向所述供电模块供电及停止供电两种模式；
所述供电模块用于将电能输送至各用电设备，且对电路工作状态进行实时监控，并实时反馈工作状态信号至所述智能调控模块。
进一步的，所述智能调控模块还用于根据用电设备运行计划或人工输入命令确定下一时段的供电模式，执行优先级为用电设备运行计划输入>人工输入>逐时能耗计划。
进一步的，所述供电模式的切换策略为：当所述光伏模块的输出功率高于用电负荷的预设百分率时，采用光伏供电模式；当所述光伏模块的输出功率低于用电负荷的预设百分率时，采用电网供电模式，此时，将所述光伏模块的电能存储在所述储能模块中，并当所述储能模块的电量达到某一设定刻度后，采用储能供电模式，当所述储能模块的电量低于设定刻度时，采用电网供电模式。
进一步的，所述智能调控模块包括：节能控制单元、舒适控制单元和自定义控制单元；其中，所述节能控制单元的供电策略为：以所述光伏模块出力为主，并限制各设备的功率输出及工作时间；所述舒适控制单元的供电策略为：以所述电网模块出力为主，以室内舒适性为优先目标；所述自定义控制单元用于供用户自行设定供电策略、各设备的功率及时长和/或日用电量上限。
进一步的，所述储能模块包括固有电池和电动汽车电池；其中，在所述光伏模块、所述固有电池、所述电网模块均断电时，所述电动汽车电池作为备用储能设施。
进一步的，所述智能调控模块还用于对电路信号进行实时监控，在发生故障时切断电源，同时监控所述储能模块和所述光伏模块的工作状态，在储能容量降到设定值时或光伏出力低于预期值时，发出警报。
进一步的，所述智能调控模块还依次连接云端和用户终端；所述智能调控模块用于将其他相应模块的运行数据实时收集并上传至所述云端，所述云端将当前运行数据及历史数据整理成缩略图表，并结合逐时能耗计划与实际运行情况，生成用电优化建议，根据各模块运行时长生成检修计划建议，同时将缩略图表、用电优化建议、检修计划建议和/或异常情况反馈至所述用户终端。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种家用光伏及储能智慧能源系统，以光伏发电、储能搭配及智能调控为依托，形成一套集运维、监测、优化于一体的智慧能源系统，实现了家用光伏能源以高渗透率、高效、智能及稳定运行的目的。具体具有以下有益效果：
1.通过逐时能耗计划子系统构建深度匹配用户习惯的不同日期下的逐时能耗计划，同时通过收集外部信息进行实时调整，具有准确度高、适应性强等优点。
2.通过智能调控模块对建筑的供电网络进行智能调控，可以在最大化利用光伏电能的基础上保障供电的稳定性，有效提升可再生能源的渗透率，同时收集其他各模块的反馈信息并综合处理并呈现给用户，使得整个供电过程实现可视化调控，大大提升供电系统的智能程度。
3.通过将智能调控模块收集的信息同步上传至云端并进行数据分析，可以较早诊断供电网络中的异常情况，同时反馈给用户，可以有效避免因故障而可能会导致的事故，有效提升了电路安全性。
4.通过既有的逐时计划能耗及实际运行数据，智能调控模块将信息上传后经云端处理后可简略成图表呈现给用户，并同步输出用能建议，辅助用户合理规划用电计划。
5.电动汽车电池在接入电网后可辅助作为储能的补充，作为紧急情况下的备用电力，提升了系统的可靠性。
6.通过智能调控模块收集的数据构建覆盖发电端、输送网络及用电设备的数据库，通过已运行时间及每个单元数据整体变化趋势等参数进行工况分析，给用户提供检修周期建议，提高了系统的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的家用光伏及储能智慧能源系统的结构示意图；
图2为本发明提供的智能调控模块对供电模式的切换策略示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种家用光伏及储能智慧能源系统，包括：
逐时能耗计划子系统，用于根据每年中工作日及节假日的人员外出及居家时间段、以及每个时间段对各设备的使用需求，构建各设备一年中每一天的逐时能耗计划，并根据外部环境变化和/或短期人员作息变化对逐时能耗计划进行适应性调整。
其中，规划设备的逐时能耗时需要考虑到天气的因素，例如气温对空调的影响，光照对灯光的影响。还需要考虑建筑内人员的日常出行起居规律，以构建灯光、空调、电视等设备的运行时段。
构建好逐时能耗计划后，逐时能耗计划子系统根据各时间段对应的天气预报确定发生变化、且对设备运行有影响的外部环境因素(包括温度、辐射、湿度等参数)，并对与该变化的外部环境因素相关联的用电设备(包括空调、电视、洗衣机、灯光等)的逐时能耗计划进行调整。
同时，当存在由于节假日等因素导致的短期人员起居规律大幅变化的情况时，需要对设备逐时能耗计划进行重构。比如：通过输入离家和回家的具体时间点或者离家时长，从而在此时间段内停止各非必要设备供电，以节省能耗；除此之外，还可以设置会客模式，在此模式下灯光、空调等设备均保持全时段运行，以保证室内的舒适性。
具体来说，首先根据季节设置不同的典型日逐时用电计划，之后根据外界天气变化程度估算出对设备用电设备的负荷影响，建立天气参数与设备用电之间的函数关系，以空调为例，根据室外温度与默认设定温度(26℃)的温差，初步计算出设备的小时能耗，并根据其他气象参数(辐射度、湿度)及不同模式下的实际运行数据，依据实际参数对计算过程进行修正，得到修正后的估算方法，从而确定天气参数与设备用电之间的关系，并嵌入逐时计划模块中。
在逐时计划模块中的时间参数包括日期，将全年的周末及其他法定节假日纳入其中，根据用户习惯建立工作日及节假日的逐时用电计划，可以初步实现全年各时段的用电初步规划，逐时计划能耗模块根据外界气温变化，节假日情况自动调整用电计划，可实现对实际用电情况进行精确预测。
需要说明的是，为了保证供电的稳定性，一般会考虑一定的富裕系数，可以设置为20％。
在一个实施例中，逐时能耗计划子系统用于通过人工设置、大数据云计算或各设备的历史运行数据生成逐时能耗计划。
在其他实施例中，该系统还包括：光储智能调控子系统；光储智能调控子系统包括：电网模块、储能模块、光伏模块、供电模块和智能调控模块；
智能调控模块用于对逐时能耗计划子系统发送的各设备的逐时能耗计划进行分析，生成下一时段的供电模式；在确定电路反馈信息中无异常后再发送控制信号，并根据储能模块和光伏模块的反馈信号对供电模式进行适应性切换；其中，供电模式包括：电网供电模式、储能供电模式或光伏供电模式；
光伏模块用于根据智能调控模块发送的控制信号，确定自身工作模式，包括：向供电模块供电、向储能模块输电、同时向供电模块及储能模块供电三种模式，并实时反馈工作状态信号至智能调控模块；
储能模块用于根据智能调控模块发送的控制信号，确定自身工作模式，包括：向供电模块供电、储存光伏模块的电能、同时向供电模块供电及储存储能模块的电能三种模式，并实时反馈工作状态信号至智能调控模块；
电网模块用于根据智能调控模块发送的控制信号，确定自身工作模式，包括：向供电模块供电及停止供电两种模式；
供电模块用于将电能输送至各用电设备，且对电路工作状态进行实时监控，并实时反馈工作状态信号至智能调控模块。
更有利的，智能调控模块还用于根据用电设备运行计划或人工输入命令确定下一时段的供电模式，执行优先级为用电设备运行计划输入>人工输入>逐时能耗计划。在具体运行时，智能调控模块在发出信号给其他各模块之前，需要先检索是否有人工输入信号及电路反馈信息，优先执行人工输入信息，并在电路反馈信息中无异常的情况下才向其他模块发送控制信号。
在一个具体实施例中，供电模式的切换策略为：当光伏模块的输出功率高于用电负荷的预设百分率时，采用光伏供电模式；当光伏模块的输出功率低于用电负荷的预设百分率时，采用电网供电模式，此时，将光伏模块的电能存储在储能模块中，并当储能模块的电量达到某一设定刻度后，采用储能供电模式，当储能模块的电量低于设定刻度时，采用电网供电模式。
具体而言,在实际工作时，智能调控模块存在反馈时间间隔，其流程控制策略如图2所示，智能调控模块在设置下一个时间周期内的供电策略时需要收到上一个周期的反馈信号，并判定是继续按照现有模式或新输入的周期间隔，以最新的指定为准，待信号确认完毕后，开始进入下一个时间段内的循环流程，首先判断是否有人工输入，之后判断光伏出力情况及储能剩余电量状态，以决定该周期内的供电策略，当光伏及储能在该时间周期内出现供电不足时则立即切换至电网供电，在达到设定时间间隔后将信号反馈至智能控制模块，以开始下一个循环，循环时间间隔可由系统默认或自定义输入，一般来说时间间隔越短则系统控制越精确。
更有利的，智能调控模块具有控制面板，控制面板上具有节能按钮、舒适按钮和自定义按钮，分别对应节能、舒适和自定义三种模式。智能调控模块包括：节能控制单元、舒适控制单元和自定义控制单元，分别用于调控节能、舒适和自定义三种模式的供电策略，可以直接点击按钮进行模式切换。
其中，节能控制单元的供电策略为：以光伏模块出力为主，并限制各设备的功率输出及工作时间，以追求最大化节能效果；舒适控制单元的供电策略为：以电网模块出力为主，对设备用电无限制，以追求用户体验最佳化，以室内舒适性为优先目标；自定义控制单元用于供用户自行设定供电策略、各设备的功率及时长和/或日用电量上限。
智能调控模块经分析处理后对各时段用电量进行规划。三种模式的主要供电策略如表1所示。
表1不同模式下的供电策略
具体而言，在节能模式下，当光伏及储能输出功率不足以满足室内用电负荷时，优先限制空调等能耗较高的设备功率，通过调整其设定温度来降低功率输出，在供电不足以驱动设备运行时则暂时关闭设备，直至室内温度低于或高于设定值方利用电网供电重新开启设备。
在舒适模式下，当光伏输出功率低于用电负荷的30％时则全部由电网供电，光伏电能全部储存在储能单元中，待储能单元电量达到某一设定刻度后，储能参与供电，直至低于某一设定刻度后停止供电，当光伏输出功率高于用电负荷的30％时则参与供电。
在自定义模式中，用户可以对全流程的控制策略进行设定，以满足个性化需求。
在其他实施例中，储能模块包括固有电池和电动汽车电池；其中，在光伏模块、固有电池、电网模块均断电时，电动汽车电池作为备用储能设施。
在实施例中，智能调控模块还用于对电路信号进行实时监控，在发生故障时切断电源，同时监控储能模块和光伏模块的工作状态，在储能容量降到设定值时或光伏出力低于预期值时，发出警报。
在其他实施例中，智能调控模块还依次连接云端和用户终端；智能调控模块用于将其他相应模块的运行数据实时收集并上传至云端，云端将当前运行数据及历史数据整理成缩略图表，并结合逐时能耗计划与实际运行情况，生成用电优化建议，根据各模块运行时长生成检修计划建议，同时将缩略图表、用电优化建议、检修计划建议和/或异常情况反馈至用户终端。
具体来说，智能控制模块将各模块的数据信息进行收集并上传至云端，在云端构建系统的历史数据库，通过数据库可以实现以下功能：定期输出监控报告，汇报上一时间段的工作概况，并给出用电分析及评价；辅助优化用电计划，通过分析历史数据，提供给用户下一阶段用电计划优化建议，以实现节能效果；制定检修周期，实时跟进各环节单元的使用时长，根据设备的生命周期及工作状态给出定期检查建议；系统优化，通过分析各模块数据指导用户对光伏阵列面积及储能容量等固有参数进行优化调整，以实现更高的可再生能源渗透率。用户还可通过手机进行实时查看及远程控制。
工作时，户内在各主要场所设置有温度及湿度传感器，并将信号反馈给智能控制模块，同时智能控制模块对电动汽车是否接入，各设备的工作状态及运行状况都有信号感知反馈，在入户门处设置智能调控模块的控制面板，离开时按下离家按钮，返回时按下回家按钮，智能控制模块则相应对各模块进行调控，以实现精细化控制，以上操作也可通过移动设备进行远程控制。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种家用光伏及储能智慧能源系统，其特征在于，包括：
逐时能耗计划子系统，用于根据每年中工作日及节假日的人员外出及居家时间段、以及每个时间段对各设备的使用需求，根据建筑内人员的日常出行起居规律构建各设备一年中每一天的逐时能耗计划，并根据外部环境变化和/或短期人员作息变化对所述逐时能耗计划进行适应性调整；当存在由于节假日因素导致的短期人员起居规律大幅变化的情况时，需要对设备逐时能耗计划进行重构,通过输入离家和回家的具体时间点或者离家时长，在此时间段内停止各非必要设备供电；还设置会客模式，在此模式下灯光、空调设备均保持全时段运行；
所述逐时能耗计划子系统用于根据各时间段对应的天气预报确定发生变化、且对设备运行有影响的外部环境因素，并对与该变化的外部环境因素相关联的用电设备的逐时能耗计划进行调整；
先根据季节设置不同的典型日逐时用电计划，之后根据外界天气变化程度估算出对设备用电设备的负荷影响，建立天气参数与设备用电之间的函数关系，并嵌入逐时计划子系统中。
2.根据权利要求1所述的一种家用光伏及储能智慧能源系统，其特征在于，所述逐时能耗计划子系统用于通过人工设置、大数据云计算或各设备的历史运行数据生成所述逐时能耗计划。
3.根据权利要求1所述的一种家用光伏及储能智慧能源系统，其特征在于，还包括：光储智能调控子系统；所述光储智能调控子系统包括：电网模块、储能模块、光伏模块、供电模块和智能调控模块；
所述智能调控模块用于对所述逐时能耗计划子系统发送的各设备的逐时能耗计划进行分析，生成下一时段的供电模式；在确定电路反馈信息中无异常后再发送控制信号，并根据所述储能模块和所述光伏模块的反馈信号对供电模式进行适应性切换；其中，所述供电模式包括：电网供电模式、储能供电模式或光伏供电模式；
所述光伏模块用于根据所述智能调控模块发送的控制信号，确定自身工作模式，包括：向所述供电模块供电、向所述储能模块输电、同时向所述供电模块及所述储能模块供电三种模式，并实时反馈工作状态信号至所述智能调控模块；
所述储能模块用于根据所述智能调控模块发送的控制信号，确定自身工作模式，包括：向所述供电模块供电、储存所述光伏模块的电能、同时向所述供电模块供电及储存所述储能模块的电能三种模式，并实时反馈工作状态信号至所述智能调控模块；
所述电网模块用于根据所述智能调控模块发送的控制信号，确定自身工作模式，包括：向所述供电模块供电及停止供电两种模式；
所述供电模块用于将电能输送至各用电设备，且对电路工作状态进行实时监控，并实时反馈工作状态信号至所述智能调控模块。
4.根据权利要求3所述的一种家用光伏及储能智慧能源系统，其特征在于，所述智能调控模块还用于根据用电设备运行计划或人工输入命令确定下一时段的供电模式，执行优先级为用电设备运行计划输入>人工输入>逐时能耗计划。
5.根据权利要求3所述的一种家用光伏及储能智慧能源系统，其特征在于，所述供电模式的切换策略为：当所述光伏模块的输出功率高于用电负荷的预设百分率时，采用光伏供电模式；当所述光伏模块的输出功率低于用电负荷的预设百分率时，采用电网供电模式，此时，将所述光伏模块的电能存储在所述储能模块中，并当所述储能模块的电量达到某一设定刻度后，采用储能供电模式，当所述储能模块的电量低于设定刻度时，采用电网供电模式。
6.根据权利要求3所述的一种家用光伏及储能智慧能源系统，其特征在于，所述智能调控模块包括：节能控制单元、舒适控制单元和自定义控制单元；其中，所述节能控制单元的供电策略为：以所述光伏模块出力为主，并限制各设备的功率输出及工作时间；所述舒适控制单元的供电策略为：以所述电网模块出力为主，以室内舒适性为优先目标；所述自定义控制单元用于供用户自行设定供电策略、各设备的功率及时长和/或日用电量上限。
7.根据权利要求3所述的一种家用光伏及储能智慧能源系统，其特征在于，所述储能模块包括固有电池和电动汽车电池；其中，在所述光伏模块、所述固有电池、所述电网模块均断电时，所述电动汽车电池作为备用储能设施。
8.根据权利要求3所述的一种家用光伏及储能智慧能源系统，其特征在于，所述智能调控模块还用于对电路信号进行实时监控，在发生故障时切断电源，同时监控所述储能模块和所述光伏模块的工作状态，在储能容量降到设定值时或光伏出力低于预期值时，发出警报。
9.根据权利要求3所述的一种家用光伏及储能智慧能源系统，其特征在于，所述智能调控模块还依次连接云端和用户终端；所述智能调控模块用于将其他相应模块的运行数据实时收集并上传至所述云端，所述云端将当前运行数据及历史数据整理成缩略图表，并结合逐时能耗计划与实际运行情况，生成用电优化建议，根据各模块运行时长生成检修计划建议，同时将缩略图表、用电优化建议、检修计划建议和/或异常情况反馈至所述用户终端。
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