基于家庭能源管理的户用微电网系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于家庭能源管理的户用微电网系统，包括：光伏电源、光伏逆变器、储能装置、开关、单向电表、双向电表、市电电网、户内变电箱、家庭负载和控制器；光伏电源、光伏逆变器、开关、单向电表、双向电表依次串联连接；储能装置接入光伏逆变器与开关之间；双向电表的一端连接到市电电网，另一端通过户内变电箱与家庭负载连接；控制器包括与光伏逆变器和储能装置连接的分布式发电控制器和与家庭负载连接的家庭负荷控制器。所述户用微电网系统通过分布式发电控制器和家庭负荷控制器能够根据家庭负载的用电状态、光伏电源以及储能装置的使用情况实现电能与负荷的协调控制。既保证了电网的安全运行，又提高了微电网系统的用电效率。
【专利说明】
基于家庭能源管理的户用微电网系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及基于新能源的微电网技术领域，特别是指一种基于家庭能源管理的户用微电网系统。
【背景技术】
[0002]随着光伏发电技术的不断发展，越来越多的家庭开始采用光伏发电系统进行供能，但是由于光伏发电电量的不足，往往还需要市电电网进行补充配合使用，这样就导致了户用微电网系统的产生。
[0003]传统智能户用微电网是把分布式发电、储能装置以及负荷通过控制系统协调控制，形成单一可控单元，直接接在用户侧，并采用灵活的网络结构，构建以太阳能光伏发电为主的分布式发电系统、主动配电负荷和储能设备的微电网架构，运用智能化技术手段协调三者之间的运行，既可以实现与外部电网并网运行，也可以实现孤立运行。例如:参考文献CN 203774835 U中公开了一种户用型微电网系统，其解决了光伏发电的间歇性及不稳定性的问题；又如参考文献CN 202841012 U中公开了一种家庭微电网供电系统，其将光伏发电对大电网的扰动减少到最低程度，并改善了光伏发电系统的用电效率。这些传统户用微电网虽然能够实现自我控制、保护和管理，为负荷提供多种能源形式的可靠供给，但是由于系统负载与系统容量的不匹配性，光伏发电所发电量在储能电池满电量的情况下，无法被负载完全消化，最终会造成一定程度的电量损失，或者在光伏发电所发电量不足时，不能保证负载的稳定供电。也即，传统户用微电网不能够针对家庭的负载情况来控制光伏发电系统，同样，也不能根据光伏发电系统的发电状态控制家庭负载，最终导致系统的运行效率和经济效益较低。
【实用新型内容】
[0004]有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种基于家庭能源管理的户用微电网系统，能够根据家庭负载和光伏发电的状态实现家庭能源的高效管理。
[0005]基于上述目的本实用新型提供的一种基于家庭能源管理的户用微电网系统，包括:光伏电源、光伏逆变器、储能装置、开关、单向电表、双向电表、市电电网、户内变电箱、家庭负载和控制器；
[0006]所述光伏电源、光伏逆变器、开关、单向电表、双向电表依次串联连接;所述储能装置接入所述光伏逆变器与所述开关之间；所述双向电表的一端连接到市电电网，另一端通过户内变电箱与家庭负载连接;所述控制器包括分布式发电控制器和家庭负荷控制器，所述分布式发电控制器分别与光伏逆变器和储能装置连接，所述家庭负荷控制器与家庭负载连接。
[0007]优选的，所述家庭负荷控制器包括用于采集家庭负载能耗状态的能耗采集装置。
[0008]优选的，所述基于家庭能源管理的户用微电网系统还包括浪涌保护装置;所述浪涌保护装置接入所述光伏逆变器与所述开关之间。
[0009]进一步，所述基于家庭能源管理的户用微电网系统还包括熔断器;所述浪涌保护装置通过所述熔断器接入所述光伏逆变器与所述开关之间。
[0010]优选的，所述基于家庭能源管理的户用微电网系统还包括断路器;所述光伏逆变器通过所述断路器与开关连接;所述断路器与所述分布式发电控制器连接。
[0011]进一步，所述基于家庭能源管理的户用微电网系统还包括过压-欠压保护器;所述断路器通过所述过压-欠压保护器连接到开关;所述过压-欠压保护器与所述分布式发电控制器连接。
[0012]从上面所述可以看出，本实用新型提供的基于家庭能源管理的户用微电网系统通过分布式发电控制器实现光伏发电逆变器以及储能装置的控制，通过家庭负荷控制器实现家庭负载的信号采集和状态控制，这样能够根据家庭负载的用电状态进而控制光伏电源以及储能装置的使用情况，实现了能源的高效管理。同时，当微电网系统离网运行时，能够根据光伏电源以及储能装置电量，控制家庭负载的使用，从而保证敏感负载的稳定运行，最终实现家庭电网的安全运行。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型提供的基于家庭能源管理的户用微电网系统的一个实施例的结构示意图；
[0014]图2为本实用新型提供的基于家庭能源管理的户用微电网系统的另一个实施例的结构示意图；
[0015]图3为本实用新型提供的基于家庭能源管理的户用微电网系统的电路原理示意图。
【具体实施方式】
[0016]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
[0017]参照图1所示，为本实用新型提供的基于家庭能源管理的户用微电网系统的一个实施例的结构示意图。所述基于家庭能源管理的户用微电网系统通过家庭可控负荷参与电网能量响应，考虑了负荷的多样性和不同时段家庭用电负荷的需求，最终实现了家庭微电网电能与负荷的协调控制。所述基于家庭能源管理的户用微电网系统包括:光伏电源1、光伏逆变器2、储能装置3、开关4、单向电表5、双向电表6、市电电网7、户内变电箱8、家庭负载9和控制器10。
[0018]所述光伏电源1、光伏逆变器2、开关4、单向电表5、双向电表6依次串联连接，进而将光伏电源I通过电线接入到家庭用电网络中。所述储能装置3接入所述光伏逆变器2与所述开关3之间，既能够作为电源进行供电，又可以作为储能装置进行蓄电。所述双向电表6的一端连接到市电电网7中，另一端通过户内变电箱8与家庭负载9连接，能够分别统计家庭用户的上网电量和下网电量。所述控制器10包括分布式发电控制器101和家庭负荷控制器102，所述分布式发电控制器101分别与光伏逆变器2和储能装置3连接，用于控制光伏电源I的供电状态以及控制储能装置3是放电、待机还是充电；所述家庭负荷控制器102与家庭负载9连接，用于采集家庭负载9的负荷情况，同时能够控制家庭负载9的用电状态。
[0019]其中，所述光伏逆变器2能够将所述光伏电源I输出的直流电转换成交流电供负载使用，然后再通过开关4和单、双向电表并入家庭用电网络中。所述光伏电源I既可以是光伏电池、太阳能电池、风电发电装置等可持续的发电设备，还可以是小型发电机等辅助发电装置。所述储能装置3优选为蓄电池组，当所述储能装置3输出直流电时，所述储能装置3还包括一个逆变器。所述开关4可以为刀闸式机械开关，也可以为电子开关。所述单向电表5用于统计光伏电源I并入家庭微电网中的输出电量。所述双向电表6能够分别计量家庭负载9的下网电量，即耗电量，以及光伏电源I反馈入市电电网7的电量。所述分布式发电控制器101实现家庭微电网的整体协同控制，包括独立家庭微电网稳态、动态、暂态控制、家庭微电网并网和离网控制、家庭微电网组件控制以及家庭微电网能效管理决策的下达。家庭负荷控制器102通过有限或无线连接家庭负载9的能效管理设备，实现信息汇集以及根据协同控制策略远程控制家电设备的功能，并通过网络将数据上传至控制器10。
[0020]由上述实施例可知，所述基于家庭能源管理的户用微电网系统通过包含分布式发电控制器101和家庭负荷控制器102的所述控制器10，实现了光伏电源I侧和家庭负载9的双向综合控制，使得系统能够在并网运行时，根据家庭负载9的用电状态，动态调节光伏电源I和储能装置3的使用状态;在离网运行时，能够根据光伏电源I和储能装置3的电量，控制家庭负载9的用电状态，既保证了微电网系统的安全可靠运行，而且实现了电网电能与家庭负荷的协调控制，最终提高了户用微电网系统的用电效率，同时降低了家庭负载9对市电电网7的用电量，为市电电网7降低了用电负担。
[0021]进一步，所述基于家庭能源管理的户用微电网系统的工作原理为:当所述基于家庭能源管理的户用微电网系统并网运行时，尽可能的使用光伏电源I和储能装置3输出的电量，若有剩余电量，还可以反馈进入市电电网7。当所述基于家庭能源管理的户用微电网系统离网运行时，根据所述光伏电源I和储能装置3的电量，控制家庭负载的用电状态，例如:当所述光伏电源I和储能装置3的电量不足时，可以通过切断不重要的负载，保证重要敏感负载的正常、可靠供电。优选的，所述储能装置3只能由光伏电源I进行充电。这样，既能够充分利用所述光伏电源I和储能装置3的电量，又能保证家庭负载9的可靠供电。使得所述基于家庭能源管理的户用微电网系统既能稳定、可靠运行，又产生了巨大的经济效益。
[0022]具体的，以一天调度周期为例进行说明，家庭用户对大电网购电价格分为峰、平、谷，3个不同的时段，所以依照分时电价所确定的峰时段、平时段和谷时段，将其依次划分为峰时段、平时段和谷时段三种情况，同时读取当前的家庭负载9需求、光伏电源I的输出功率以及储能装置3的荷电状态。
[0023]在峰时段和平时段，考虑到微电网系统的经济性，此时，应避免从市电电网7获取电能。
[0024]当光伏电源I的输出功率大于家庭负载9需求功率时，查看储能装置3的剩余量的百分比，若充电后储能装置3电荷量仍小于设定的最大阈值，则光伏电源I向家庭负载9提供电能外，同时将多余的电能储存在储能装置3中；若储能装置3电荷量达到最大阈值，则将多余功率馈入市电电网7。
[0025]当光伏电源I的输出功率小于家庭负载9需求功率时，计算此时储能装置3可提供的最大电量是否能满足剩余家庭负载9的需求，若能满足则由光伏电源I与储能装置3同时为家庭负载9供电;若储能装置3最大放电功率不能满足剩余家庭负载9的需求，为了提高系统运行的可靠性，则不足的电量部分应由市电电网7补充。
[0026]在谷时段，为了使储能装置3在峰时段和平时段有足够电能，因此，在谷时段时储能装置3没有达到上限应尽量对储能装置3充电，部分家庭负载9可由市电提供。出于经济性和稳定性考虑，当微电网供能不足而向电网购电时，市电不允许对储能装置3充电。
[0027]当光伏电源I的输出功率大于家庭负载9的需求时，原理与峰时段和平时段相同，此处不再重复描述。
[0028]当光伏电源I的输出功率小于家庭负载9的需求，且储能装置3电荷量小于设定的最小阈值时，则由市电电网7单独为家庭负载9供电，光伏电源I只为储能装置3充电;若储能装置3大于设定的最小阈值，则光、蓄、市电共同为家庭负载9提供电能。
[0029]在另一些可选的实施例中，所述基于家庭能源管理的户用微电网系统在微电网中添加了智能家居等家庭能效管理设备和系统，实现了分布式电源最大消纳以及微电网协调控制和优化运行，有效提升了以电网为基础的能源互联技术应用。通过家庭能效控制中心实现智能家居控制、家庭能效管理、分布式电源监测、运行监测、能效分析、恒温负荷管理、整体协同控制策略下发等功能。通过含分布式电源的家庭用能采集终端实现远程控制家电设备的工作状态和家庭能耗采集等功能。家庭能效控制中心和家庭用能采集终端的实现为家庭微电网与家庭能效互动应用提供了通信及硬件支撑。利用具有家庭微电网能源消纳管理特征的能效管理系统及终端，实现了家庭用电数据分析、高耗能设备监控、智能家电控制、家庭微电网管理及微电网能效应用数据分析，实现家庭微电网供电与家庭能效整体协同策略。
[0030]作为本发明一个优选的实施例，所述家庭负荷控制器102包括用于采集家庭负载能耗状态的能耗采集装置，也即，所述家庭负荷控制器102通过所述能耗采集装置采集家庭负载9的能耗状态。这样，所述基于家庭能源管理的户用微电网系统能够根据家庭负载9的能耗状态进而实现光伏电源的消纳，提高了用电效率。
[0031]作为本发明另一个优选的实施例，参照图2所示，所述基于家庭能源管理的户用微电网系统还包括:浪涌保护装置11;所述浪涌保护装置11接入所述光伏逆变器2与所述开关4之间。所述浪涌保护装置11在电路由于外界干扰突然产生尖峰电流或电压时，能够在极短的时间内导通分流，保证电路的安全运行。
[0032]进一步，所述基于家庭能源管理的户用微电网系统还包括:熔断器12;所述浪涌保护装置11通过所述熔断器12接入所述光伏逆变器2与所述开关4之间。所述熔断器12用于在电流或电压过大时断开电路，从而保护用电设备。这样，能够保证用电设备不会由于过大的电压或电流而产生损坏。
[0033]在一些可选的实施例中，所述基于家庭能源管理的户用微电网系统还包括断路器13;所述光伏逆变器2通过所述断路器13与开关4连接;所述断路器13与所述分布式发电控制器101连接。所述断路器13用于防止电流过载和短路保护。
[0034]进一步，所述基于家庭能源管理的户用微电网系统还包括:过压-欠压保护器14;所述断路器13通过所述过压-欠压保护器14连接到开关4;所述过压-欠压保护器14与所述分布式发电控制器101连接。所述过压-欠压保护器14用于防止过压或欠压对设备造成伤害。
[0035]参照图3所示，为本实用新型提供的基于家庭能源管理的户用微电网系统的电路原理示意图。所述储能装置3通过一个逆变器15接入微电网系统中，且在每个装置或负载与电网之间均设置有开关装置，使得出现意外时，各个部分均能够单独脱离微电网，进而保证装置及系统的使用安全。此处，所述负载即前面所述的家庭负载9，且所述家庭负载9可以根据需要并行设置为多个。
[0036]可选的，本实用新型所述的基于家庭能源管理的户用微电网系统通过微电网供电与家庭能效协调控制策略，能够根据负荷需求的大小来分配各分布式电源、储能的出力，保证微电源输出与负荷需求之间的平衡，当家庭微电网系统并网渗透率较低时主要通过调节温控负荷的使用时间与分布式光伏电源1、储能装置3出力曲线拟合技术，实现家庭微电网电能消纳。当微电网系统孤岛运行时，切除不重要的负荷，保证敏感负荷的正常、可靠供电。同时能够采集业务数据中的用户数据、家电用电数据和电表数据为基础核心数据，对这三种数据进行整理后生成用电分析数据，再结合缴费数据和用电常识数据等，根据业务需求进行数据挖掘分析满足智能家居系统和智能用电系统的所有业务。
[0037]进一步，所述基于家庭能源管理的户用微电网系统通过家庭微电网供电与家庭能效整体协同策略，结合家庭能效管理关键技术，形成微电网与家庭能效管理集成方案。智慧家庭的建设一方面可获取居民侧更细颗粒度的用电数据，为电网负荷预测提供数据依据；另一方面居民可及时了解电网运行状态、获取电网用电通知、电价政策等，根据用电通知设定、调整用电行为，实现居民用电需求响应。最终全面提升家庭微电网的使用效率。
[0038]所属领域的普通技术人员应当理解:以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子;在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
[0039]另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本实用新型难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本实用新型难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本实用新型的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本实用新型的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本实用新型。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
[0040]尽管已经结合了具体实施例对本实用新型进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
[0041]本实用新型的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于家庭能源管理的户用微电网系统，其特征在于，包括:光伏电源、光伏逆变器、储能装置、开关、单向电表、双向电表、市电电网、户内变电箱、家庭负载和控制器； 所述光伏电源、光伏逆变器、开关、单向电表、双向电表依次串联连接;所述储能装置接入所述光伏逆变器与所述开关之间；所述双向电表的一端连接到市电电网，另一端通过户内变电箱与家庭负载连接;所述控制器包括分布式发电控制器和家庭负荷控制器，所述分布式发电控制器分别与光伏逆变器和储能装置连接，所述家庭负荷控制器与家庭负载连接。2.根据权利要求1所述的基于家庭能源管理的户用微电网系统，其特征在于，所述家庭负荷控制器包括用于采集家庭负载能耗状态的能耗采集装置。3.根据权利要求1所述的基于家庭能源管理的户用微电网系统，其特征在于，还包括:浪涌保护装置;所述浪涌保护装置接入所述光伏逆变器与所述开关之间。4.根据权利要求3所述的基于家庭能源管理的户用微电网系统，其特征在于，还包括:熔断器;所述浪涌保护装置通过所述熔断器接入所述光伏逆变器与所述开关之间。5.根据权利要求1所述的基于家庭能源管理的户用微电网系统，其特征在于，还包括:断路器;所述光伏逆变器通过所述断路器与开关连接;所述断路器与所述分布式发电控制器连接。6.根据权利要求5所述的基于家庭能源管理的户用微电网系统，其特征在于，还包括:过压-欠压保护器;所述断路器通过所述过压-欠压保护器连接到开关;所述过压-欠压保护器与所述分布式发电控制器连接。
【文档编号】H02J7/00GK205489679SQ201620207965
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】李思维, 刘晓丹, 王茜, 王英杰, 刘茁出, 王思宁, 岳靓
【申请人】北京中电飞华通信股份有限公司, 北京国电通网络技术有限公司, 国家电网公司, 国网浙江省电力公司