本發(fā)明屬于光伏能源技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種家用光伏發(fā)電能量管理系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù):
人們對(duì)能源的需求不斷增加,而大部分能源來(lái)源于化石燃料,由于化石燃料的燃燒產(chǎn)生的廢氣,環(huán)境問(wèn)題日益凸顯。對(duì)此,為了減少化石燃料的使用,人們采取了很多措施,如合理控制配電,以及增加使用可再生能源的比例。一方面,我們可以通過(guò)控制電能流向以更高效地利用電能;另一方面,引進(jìn)可再生能源可以進(jìn)一步減少化石燃料的使用量,因?yàn)殡娔芸梢杂善渌茉刺峁W匀唤缰卸喾N可再生能源,如風(fēng)能、潮汐能、太陽(yáng)能等等,其中最容易獲得以及使用的是太陽(yáng)能,因此,從個(gè)人用戶(hù)的角度來(lái)考慮,太陽(yáng)能是合適的能量來(lái)源。通過(guò)結(jié)合電網(wǎng)的電能以及通過(guò)太陽(yáng)能獲得的電能,可以減少電網(wǎng)能量的消耗以及節(jié)省電費(fèi)。
現(xiàn)在有很多關(guān)于家用光伏系統(tǒng)的專(zhuān)利,如公開(kāi)號(hào)為cn104184394a,名稱(chēng)為“一種家用離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)”的發(fā)明專(zhuān)利,但目標(biāo)多為解決停電時(shí)對(duì)家電的供電問(wèn)題,而沒(méi)有針對(duì)利用太陽(yáng)能減少電費(fèi)以及電能消耗的專(zhuān)利。而公開(kāi)號(hào)為cn202617043u,名稱(chēng)為“家用光伏供電系統(tǒng)”的發(fā)明專(zhuān)利,提出了將光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)結(jié)合起來(lái)向家用電器供電的方法,但是主要目的是在太陽(yáng)能的供給足夠的條件下,將電源從電網(wǎng)切換到蓄電池,以達(dá)到減少電費(fèi)的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)這種方法雖然可以一定程度地減少電費(fèi)以及電能消耗,但是不能最大地利用太陽(yáng)能。并且,上述系統(tǒng)都使用了蓄電池儲(chǔ)存電能,而考慮到蓄電池的成本和壽命,以及對(duì)環(huán)境的影響,上述系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益都被限制。因此,有必要提出有效的注重環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的方案,同時(shí),也要考慮用戶(hù)的用電習(xí)慣。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決現(xiàn)在技術(shù)中缺少有效利用太陽(yáng)能以減少電費(fèi)以及電能消耗的方案的問(wèn)題,本發(fā)明提供了一種家用光伏發(fā)電能量管理系統(tǒng)及方法,以在同時(shí)考慮電費(fèi)、耗電量以及用戶(hù)不便性的條件下得到配電方案,并且可以根據(jù)用戶(hù)的不同要求調(diào)整控制方法,并通過(guò)得到的控制方法達(dá)到減少電費(fèi)和用電量的目標(biāo)。
本發(fā)明的系統(tǒng)所采用的技術(shù)方案是:1.一種家用光伏發(fā)電能量管理系統(tǒng),其特征在于:包括光伏電池、逆變器、電網(wǎng)和負(fù)載;
所述光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能;所述逆變器將所述光伏電池產(chǎn)生的不穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)換為電壓恒定的交流電,以向電網(wǎng)或者家用負(fù)載供電;
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的家用光伏發(fā)電能量管理系統(tǒng),其特征在于:所述系統(tǒng)還配置有受控開(kāi)關(guān)和控制模塊,所述逆變器與電網(wǎng)、逆變器與負(fù)載、電網(wǎng)與負(fù)載之間均設(shè)置有受控開(kāi)關(guān),所述受控開(kāi)關(guān)在所述控制模塊控制下,控制光伏電池的供電對(duì)象。
本發(fā)明的方法所采用的技術(shù)方案是:一種家用光伏發(fā)電能量管理方法,其特征在于,包括以下步驟:
步驟1、設(shè)定約束條件:
0≤p1(t)≤η1ppv(t);
0≤p2(t)≤η2ppv(t);
0≤p3(t)≤usimax;
p2(t)+p3(t)=pl(t);
p1(t)/η1+p2(t)/η2=ppv(t);
p1(t)p2(t)=0,p2(t)p3(t)=0;
其中η1和η2是逆變器并網(wǎng)端和負(fù)載端的效率,p1(t)和p2(t)分別是光伏電池在t時(shí)刻通過(guò)逆變器向電網(wǎng)以及負(fù)載提供的功率,ppv(t)是光伏電池在t時(shí)刻的功率;p3(t)是電網(wǎng)在t時(shí)刻向負(fù)載提供的功率,us是標(biāo)準(zhǔn)市電電壓,imax是允許用戶(hù)使用的最大電流;pl(t)是負(fù)載在t時(shí)刻的總功率;p1(t)p2(t)=0,p2(t)p3(t)=0表示逆變器不同時(shí)向電網(wǎng)以及負(fù)載供電,負(fù)載在同一時(shí)刻的電能來(lái)源是光伏電池或者電網(wǎng)之一;
步驟2、將一天的時(shí)間均分為n部分,即控制間隔為δt分鐘;
δt=(24×60)÷n;
步驟3、定義一天的總電費(fèi):
其中:n是控制間隔的個(gè)數(shù),ρ(t)是t時(shí)刻的電費(fèi)單價(jià),ρ′是將電賣(mài)回電網(wǎng)的單價(jià),δt是控制間隔;
步驟4、定義一天總耗能:
不便性
其中i是負(fù)載的序號(hào),
由此定義
其中a是討論的負(fù)載總數(shù),γi是編號(hào)為i的負(fù)載的權(quán)重系數(shù);
步驟5、最終得到目標(biāo)函數(shù):
minf=δjc與αje與θβ;
其中δ、α和θ是電費(fèi)、電能消耗和不便性的權(quán)重系數(shù),由此建立了一個(gè)混合整形非線性規(guī)劃問(wèn)題,通過(guò)求解目標(biāo)函數(shù)的最小值得到控制方法。
本發(fā)明由于采用分時(shí)電價(jià),可以通過(guò)調(diào)整用電時(shí)間來(lái)改變電費(fèi),如避開(kāi)用電高峰期,而盡量在用電低谷期用電,這樣可以一定程度地減少電費(fèi)。隨著智能家居系統(tǒng)以及智能家電的普及,通過(guò)有線或者無(wú)線通信方式的控制器來(lái)控制各個(gè)家電的工作狀態(tài)成為了可能,同時(shí),還可以方便地對(duì)各類(lèi)配電開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制以分配電能流向,比如通過(guò)控制器控制光伏電池或者電網(wǎng)向家用電器供電;由于用戶(hù)的用電線路已經(jīng)確定,因此分別控制每個(gè)家電的電源會(huì)大大增加成本,因此,所有家電使用同一電源,即同時(shí)由光伏電池供電或者由電網(wǎng)供電。并且,本發(fā)明中的系統(tǒng)不使用蓄電池,因此成本得到了降低,并且不對(duì)環(huán)境造成污染。
同時(shí),為了提高管理方法的實(shí)用性,不僅僅考慮如何減少用電量以及電費(fèi),而在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮“需求側(cè)管理”,讓控制方法適用于有不同需求的用戶(hù),通過(guò)平衡電費(fèi)、電能消耗和用戶(hù)不便性得到的控制方法,可以在考慮用戶(hù)不便性的條件下最大地減少用電量以及電費(fèi);并且,此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)保,更利于發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境效益。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的光伏電池提供的功率示意圖;
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的方法中情況1的控制方法;
圖4為本發(fā)明實(shí)施例的方法中情況2的控制方法;
圖5為本發(fā)明實(shí)施例的方法中情況3的控制方法;
圖6為本發(fā)明實(shí)施例的方法中情況4的控制方法;
圖7為本發(fā)明實(shí)施例的方法中情況5的控制方法;
圖8為本發(fā)明實(shí)施例的方法中情況6的控制方法。
具體實(shí)施方式
為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明,下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述,應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的實(shí)施示例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
請(qǐng)見(jiàn)圖1和圖2,本發(fā)明提供的一種家用光伏發(fā)電能量管理系統(tǒng),包括:
1)光伏系統(tǒng)。光伏系統(tǒng)包括光伏電池、逆變器以及受控開(kāi)關(guān)。光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能,并且可以由光照強(qiáng)度、電池板面積和轉(zhuǎn)換效率得到光伏電池板的供電功率。逆變器采用并網(wǎng)逆變器,可以將光伏電池板產(chǎn)生的不穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)換為電壓恒定的交流電,以向電網(wǎng)或者家用電器供電。
逆變器與電網(wǎng)、逆變器與負(fù)載、電網(wǎng)與負(fù)載之間均設(shè)置有受控開(kāi)關(guān),受控開(kāi)關(guān)在控制模塊控制下,控制光伏電池的供電對(duì)象。
2)電網(wǎng)。取電網(wǎng)的分時(shí)電價(jià)計(jì)算,分為三種電價(jià),分別對(duì)應(yīng)用電高峰、低谷和正常的時(shí)間段。這樣,可以通過(guò)調(diào)整家電的使用時(shí)間來(lái)改變電費(fèi),比如在用電低谷期使用平時(shí)用電高峰期使用的家電,這樣電費(fèi)就會(huì)一定程度的降低。
3)負(fù)載。一個(gè)家庭使用各種各樣的家電,但是為了簡(jiǎn)化,不考慮一些功率相對(duì)較小以及很少使用的電器。并且,在考慮范圍內(nèi)的電器分為三類(lèi):一是靈活類(lèi)型的電器,這類(lèi)電器的工作時(shí)間任意,工作時(shí)間變化不給用戶(hù)帶來(lái)不便;二是可變類(lèi)型的電器,工作時(shí)間的改變會(huì)給用戶(hù)帶來(lái)一定的不便,但是用戶(hù)可以根據(jù)自身要求決定是否接受工作時(shí)間的變化帶來(lái)的不便;三是固定類(lèi)型的電器,工作時(shí)間固定,用戶(hù)不愿意改變電器的使用時(shí)間。
本發(fā)明提供的一種家用光伏發(fā)電能量管理方法,包括以下步驟:
步驟1、設(shè)定約束條件:
0≤p1(t)≤η1ppv(t);
0≤p2(t)≤η2ppv(t);
0≤p3(t)≤usimax;
p2(t)+p3(t)=pl(t);
p1(t)/η1+p2(t)/η2=ppv(t);
其中η1和η2是逆變器并網(wǎng)端和家電供電端的效率,p1(t)和p2(t)分別是光伏電池在t時(shí)刻通過(guò)逆變器向電網(wǎng)以及家電提供的功率;p3(t)是電網(wǎng)在t時(shí)刻向家電提供的功率,us是標(biāo)準(zhǔn)市電電壓,imax是允許用戶(hù)使用的最大電流;pl(t)是家用電器在t時(shí)刻的總功率;ppv(t)是光伏電池板在t時(shí)刻的功率。
并且,p1(t)p2(t)=0,p2(t)p3(t)=0,即逆變器不同時(shí)向電網(wǎng)以及家電供電,家電在同一時(shí)刻的電能來(lái)源是光伏電池或者電網(wǎng)之一。
步驟2:為了精確地控制,將一天的時(shí)間均分為288部分,即控制間隔為5分鐘。為了得到關(guān)于電費(fèi)、電能以及不便性的方法,定義一天的總電費(fèi)
中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)市電電壓us=220v,用戶(hù)用電最大電流imax=60a,因此p3(t)≤13200w,附圖1所示逆變器選擇sun-1000g2til,η1=η2=90%,選擇arm控制器來(lái)執(zhí)行控制方法。
取
其中t是一天中的時(shí)間,ρ′=0.7510元/千瓦時(shí),典型的家用電器如表1所示,光伏電池提供的功率如附圖2所示。按照原計(jì)劃用電,計(jì)算得電費(fèi)jc=12.6368元,耗電je=17.20千瓦時(shí)。
表1典型的家用電器
為滿(mǎn)足不同的需求,以下分為以下6種情況討論:
1)盡可能節(jié)省電費(fèi)。通過(guò)求解minf=j(luò)c,得到電費(fèi)jc=5.3741元,電能消耗je=12.58千瓦時(shí),與原計(jì)劃相比,電費(fèi)減少57.47%,電能消耗減少26.86%,如附圖3所示。
2)盡可能減少電能消耗。通過(guò)求解minf=j(luò)e,得到電費(fèi)jc=7.4169元,電能消耗je=10.53千瓦時(shí),與原計(jì)劃相比,電費(fèi)減少38.78%,電能消耗減少41.31%,如附圖4所示。
3)用電計(jì)劃不變的情況下盡可能減少電費(fèi)。通過(guò)求解minf=j(luò)c,得到電費(fèi)為jc=6.4863元,電能消耗je=15.10千瓦時(shí),與原計(jì)劃相比,電費(fèi)減少48.67%,電能消耗減少12.21%,如附圖5所示。
4)用電計(jì)劃不變的情況下盡可能減少電能消耗。通過(guò)求解minf=j(luò)e,得到電費(fèi)jc=7.6191元,電能消耗je=11.15千瓦時(shí),與原計(jì)劃相比,電費(fèi)減少39.71%,電能消耗減少35.17%,如附圖6所示。
5)用電計(jì)劃在不便性不大于50的情況下盡可能減少電費(fèi)。通過(guò)求解minf=j(luò)c+θβ,得到電費(fèi)jc=6.1669元,電能消耗je=15.00千瓦時(shí),與原計(jì)劃相比,電費(fèi)減少51.20%,電能消耗減少12.79%,如附圖7所示。
6)用電計(jì)劃在不便性不大于50的情況下盡可能減少電能消耗。通過(guò)求解minf=j(luò)e+θβ,得到電費(fèi)jc=7.2993元,電能消耗je=11.00千瓦時(shí),與原計(jì)劃相比,電費(fèi)減少42.24%,電能消耗減少36.05%,如附圖8所示。
本發(fā)明介紹了一種家用光伏發(fā)電能量管理系統(tǒng),并且可以結(jié)合需求側(cè)管理,以達(dá)到同時(shí)考慮用戶(hù)不便性的目標(biāo)。從配電和用電規(guī)劃兩方面提出了控制方法,達(dá)到了節(jié)省電費(fèi)或者減少電能消耗的目標(biāo)。此系統(tǒng)不僅利于保護(hù)環(huán)境,還有良好的經(jīng)濟(jì)效益,可以同時(shí)較大地降低電能消耗量以及電費(fèi),因此,對(duì)用戶(hù)而言是一個(gè)好的選擇。并且,控制方法可以根據(jù)不同用戶(hù)的不同需求而調(diào)整,因此,控制方法較為靈活,可以滿(mǎn)足不同需要。最后的結(jié)果也證實(shí)了控制方法在降低能量消耗以及減少電費(fèi)方面的有效性。
本發(fā)明:
(1)實(shí)現(xiàn)了最小化電費(fèi)和用電量的目標(biāo);
(2)考慮用戶(hù)的不便性;
(3)通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)控制作用;
(4)能夠控制各用電器的工作狀態(tài);
(5)能夠控制各配電開(kāi)關(guān)狀態(tài)以調(diào)整電路中電能流動(dòng)方向。
應(yīng)當(dāng)理解的是,本說(shuō)明書(shū)未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。
應(yīng)當(dāng)理解的是,上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì),并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利保護(hù)范圍的限制,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下,在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下,還可以做出替換或變形,均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi),本發(fā)明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。