一种基于多用户组网共享储能的家庭能源优化系统及方法与流程

本发明涉及家庭能源优化的技术领域，尤其涉及一种基于多用户组网共享储能的家庭能源优化系统及方法。

背景技术：

近年来，能源需求快速膨胀，以石油为代表的化石能源供应紧缺、成本日益上涨，全球变暖的形势十分严峻，节能减排已成为当今国际社会的紧迫任务。随着全球电力工业规模的逐年增长，能源的电能化和终端能源消费的电能化是历史发展和社会发展的必然趋势。推进可再生能源的发展可以有效地解决日益严峻的能源环境问题，可再生能源在未来取代传统能源(如煤、石油和天然气)是必然趋势。目前，风力发电、光伏发电等清洁可再生能源的大规模应用对能源环境压力起到一定的缓解作用。但是，风能和太阳能具有间歇性和随机性等特点，这些不确定因素使可再生能源接入电网后，对稳定运行和优化调度等造成一定的困难。

家庭微电网是集合电网双向功率流、可再生能源发电、蓄电池储能和用电负荷一体化的家庭微型电力系统，是利用可再生能源的有效途径。但是传统的家庭微电网存在一些不足和问题。传统的微电网储能方式储能容量固定，不能适应可再生能源发电和家庭用电的季节性变化。此外，不同的用户由于用电的习惯的不同在储能的空间和时间上存在差异，从整个储能设备的角度来看，明显存在储能空间上的浪费。传统直接上网售电方式也没有考虑余电直接上网对电网电能质量的影响、交直流变换造成的不必要的电能损耗以及用电不经济等问题。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有家庭微电网储能方式存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：解决现有微电网储能方式储能容量固定、无法适应不同用户的用电差异造成的储能空间的浪费，以及传统直接上网售电方式导致的电能损耗和用电不经济的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于多用户组网共享储能的家庭能源优化系统，包括集中式共享储能模块，由电力电子器件及一组单体蓄电池组成，用于多个家庭用户的用电储能；内部供电模块，由多个家庭用户组网构成，用于不同用户之间直接的能量流通；能源优化模块，用于投资、维护和管理所述集中式共享储能模块、维持所述内部供电模块功率平衡及为用户提供用电及储能优化服务；家庭用户端模块，用于安排次日家庭电器用电计划并与所述能源优化模块进行信息交流和在线支付；外部供电模块，连通外部供电设备，用于为整个系统供电。

作为本发明所述的基于多用户组网共享储能的家庭能源优化系统的一种优选方案，其中：所述能源优化模块具体包括：计算单元，根据接收到的用户次日用电计划信息对安装有可再生能源发电单元的用户次日的发电功率进行预测，并根据用户次日用电计划信息、可再生能源发电量、储能系统荷电状态、储能系统功率约束、用户侧的用电优化调度目标函数、内电网功率平衡、外电网电价综合做出优化计算；信息发送与接收单元，用于接受所有用户发来的次日用电计划信息；蓄电池组合单元，用于储存结余的可再生能源，待缺电时为所述内部供电模块供能；充放电能记录单元，用于记录用户每日的充放电能量；收费单元，用于实现用户每日用电量的分类统计收费。

作为本发明所述的基于多用户组网共享储能的家庭能源优化系统的一种优选方案，其中：所述家庭用户端模块具体包括：可再生能源发电单元，用于实现可再生能源的发电；信息发送和接受单元，用于将用户次日的用电使用计划发送给所述能源优化模块；支付单元，用于用户支付每日的用电量；控制单元，用于用户之间电能的协调流通。

作为本发明所述的基于多用户组网共享储能的家庭能源优化系统的一种优选方案，其中：通过以下公式定义所述储能系统荷电状态，用于所述能源优化模块计算单元的优化计算，

其中，erem为储能系统剩余电量，eses为所述储能系统额定容量。

作为本发明所述的基于多用户组网共享储能的家庭能源优化系统的一种优选方案，其中：考虑到所述储能系统的使用寿命，通过如下公式进行约束，

socmin≤soc(h)≤socmax，

其中，socmin(h)、socmax(h)分别为所述储能系统的最小和最大荷电状态值。

作为本发明所述的基于多用户组网共享储能的家庭能源优化系统的一种优选方案，其中：在电能调度过程中，所述储能系统的荷电状态soc动态变化，考虑其充放电效率ηch、ηdch及充放电额定功率所述储能系统的动态荷电状态的计算式如下，

其中，pch(h)、pdch(h)分别为所述储能系统在h时刻的实时充、放电功率。

作为本发明所述的基于多用户组网共享储能的家庭能源优化系统的一种优选方案，其中：所述用户侧的用电优化调度目标函数具体为，

其中，为所述内部供电模块购电费、cser为通过所述能源优化模块对用户实际充放电能收取的服务费。

作为本发明所述的基于多用户组网共享储能的家庭能源优化系统的一种优选方案，其中：当所述内部供电模块处于缺电状态下，需从所述外部供电模块进行购买，购买功率如下，

其中，peg(h)、分别为h时刻所述内部供电模块从所述外部供电模块购电功率、用户从所述内部供电模块的购电功率、用户售电给所述内部供电模块的功率、所述集中式共享储能模块对所述内部供电模块充放电功率(正为充电，负为放电)。

为解决上述技术问题，本发明还提供如下技术方案：一种基于多用户组网共享储能的家庭能源优化方法，包括用户根据自己次日的生活需要，安排次日用电计划信息，并将安排好的所述次日用电计划信息发送给能源优化模块；所述能源优化模块接受所有用户发来的所述次日用电计划信息，并对安装有可再生能源发电单元的用户次日的发电功率进行预测；所述能源优化模块根据用户的所述次日用电计划信息、可再生能源发电量、储能系统荷电状态、储能系统功率约束、用户侧的用电优化调度目标函数、内电网功率平衡、外电网电价综合做出优化；每天结束后，所述能源优化模块根据记录的购电量、售电量、充放电量数据计算用户一天的用电总费用发给用户确认，并提醒用户在线支付。

作为本发明所述的基于多用户组网共享储能的家庭能源优化方法的一种优选方案，其中：如果经过所述能源优化模块优化后仍有电能的盈余，所述能源优化模块会通过内部供电模块将盈余部分售电给其他缺电的用户，如果仍有少量剩余，所述能源优化模块调度储能系统进行储能，待缺电时为所述内部供电模块供能。

本发明的有益效果：本发明利用不同的家庭用户用电的习惯不同，在储能的空间和时间上差异的互补性，将原来分散在用户家里的储能设备改为集中式共享储能系统协调优化，相比原来分散的储能设备，减小了总的储能容量并且提高了储能空间利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明提供的基于多用户组网共享储能的家庭能源优化方法的方法流程图；

图2为本发明提供的基于多用户组网共享储能的家庭能源优化系统的模块图；

图3为本发明提供的基于多用户组网共享储能的家庭能源优化系统的拓扑结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参阅图2和图3，为本发明提供的基于多用户组网共享储能的家庭能源优化系统的第一个实施例：一种基于多用户组网共享储能的家庭能源优化系统，包括：

集中式共享储能模块100，由电力电子器件及一组单体蓄电池组成，用于多个家庭用户的用电储能；

内部供电模块200，由多个家庭用户组网构成，用于不同用户之间直接的能量流通；

能源优化模块300，用于投资、维护和管理集中式共享储能模块100、维持内部供电模块200功率平衡及为用户提供用电及储能优化服务；

家庭用户端模块400，用于安排次日家庭电器用电计划并与能源优化模块300进行信息交流和在线支付；

外部供电模块500，连通外部供电设备，用于为整个系统供电。

进一步的，能源优化模块300具体包括：

计算单元，根据接收到的用户次日用电计划信息对安装有可再生能源发电单元的用户次日的发电功率进行预测，并根据用户次日用电计划信息、可再生能源发电量、储能系统荷电状态、储能系统功率约束、用户侧的用电优化调度目标函数、内电网功率平衡、外电网电价综合做出优化计算；

信息发送与接收单元，用于接受用户发来的次日用电计划信息；

蓄电池组合单元，用于储存结余的可再生能源，待缺电时为内部供电模块200供能；

充放电能记录单元，用于记录用户每日的充放电能量；

收费单元，用于实现用户每日用电量的分类统计收费。

更进一步的，家庭用户端模块400具体包括：

可再生能源发电单元，用于实现可再生能源的发电；

信息发送和接受单元，用于将用户次日的用电使用计划发送给能源优化模块300；

支付单元，用于用户支付每日的用电量；

控制单元，用于用户之间电能的协调流通。

其中，通过以下公式定义储能系统荷电状态，用于能源优化模块300计算单元的优化计算：

式中，erem为储能系统剩余电量，eses为储能系统额定容量；

考虑到储能系统的使用寿命，避免其过充和过放，通过如下公式进行约束：

socmin≤soc(h)≤socmax，

式中，socmin(h)、socmax(h)分别为储能系统的最小和最大荷电状态值；

在电能调度过程中，储能系统的荷电状态soc动态变化，考虑其充放电效率ηch、ηdch及充放电额定功率储能系统的动态荷电状态的计算式如下：

式中，pch＝(h)、pdch((h)分别为储能系统在h时刻的实时充放电功率。

并且，由于在本发明提供的系统中家庭用户每天用电产生的费用cuser由四部分组成：1)外电网购电费(用户从外电网购买电能产生的费用)；2)内电网购电费(用户从内电网运营商购买电能产生的费用)；3)内电网售电费(装由可再生能源发电的用户在经能源优化中心优化后仍有余电则可以售电给内电网赚取利润)；4)服务费cser(通过能源优化中心对用户实际充放电能来收取)。因此，用户侧的用电优化调度目标函数具体为：

其中，为内部供电模块200购电费、cser为通过能源优化模块300对用户实际充放电能收取的服务费。

需要注意的是：能源优化模块300为了维持内电网的功率平衡，需要时刻监测内电网功率。由于用户的可再生能源有限，不会有太多的电能售给内部供电模块200，因此内部供电模块200多数情况会处于缺电状态，当内部供电模块200处于缺电状态下，需从外部供电模块500进行购买，购买功率如下：

其中，peg(h)、分别为h时刻内部供电模块200从外部供电模块500购电功率、用户从内部供电模块200的购电功率、用户售电给内部供电模块200的功率、集中式共享储能模块100对内部供电模块200充放电功率(正为充电，负为放电)。

在本发明中，集中式共享储能模块100具体为共享储能系统；内部供电模块200具体为内电网；能源优化模块300具体为能源优化中心；家庭用户端模块400具体为家庭用户端；外部供电模块500具体为外电网。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明利用不同的家庭用户用电的习惯不同，在储能的空间和时间上差异的互补性，将原来分散在用户家里的储能设备改为集中式共享储能系统协调优化，相比原来分散的储能设备，减小了总的储能容量并且提高了储能空间利用率。

本发明采用集中式共享储能系统，用户不必自己购买、安装和维护储能设备，只需向能源优化中心交一定的服务费即可使用，减少了用户投资成本，并且通过能源优化中心的优化计算可以每天都为用户提供最优的储能容量和充放电服务。

本发明在用户之间建立了内电网，安装有可再生能源发电的用户如果经过优化后仍有电能的盈余，能源优化中心会通过内电网将盈余部分售电给其他缺电的用户。由于可再生能源发电量有限，一般会被其他用户直接消纳。如果仍有少量剩余，能源优化中心调度储能系统进行储能，待缺电时为内电网功能。

本发明建立的内电网和集中式共享储能形成区域性的小型电力系统，可以将用户的可再生能源发电电能全部在用户内部消费掉，从而不再售电给外电网，彻底消除了可再生能源发电的随机性、间歇性及大量使用电力电子器件引入的高次谐波对电网的电能质量的影响。

实施例2

请参阅图1，为本发明提供的基于多用户组网共享储能的家庭能源优化方法的第一个实施例：一种基于多用户组网共享储能的家庭能源优化方法，包括：

用户根据自己次日的生活需要，安排次日用电计划信息，并将安排好的次日用电计划信息发送给能源优化模块300；

能源优化模块300接受所有用户发来的次日用电计划信息，并对安装有可再生能源发电单元的用户次日的发电功率进行预测；

能源优化模块300根据用户的次日用电计划信息、可再生能源发电量、储能系统荷电状态、储能系统功率约束、用户侧的用电优化调度目标函数、内电网功率平衡、外电网电价综合做出优化；

每天结束后，能源优化模块300根据记录的购电量、售电量、充放电量数据计算用户一天的用电总费用发给用户确认，并提醒用户在线支付。

进一步的，如果经过能源优化模块300优化后仍有电能的盈余，能源优化模块300会通过内部供电模块200将盈余部分售电给其他缺电的用户，如果仍有少量剩余，能源优化模块300调度储能系统进行储能，待缺电时为内部供电模块200供能。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。