一种户用储能产品的能量管理系统及方法与流程

本发明涉及户用储能产品的管理领域，尤其涉及一种户用储能产品的能量管理系统及方法。

背景技术：

随着电池、电子器材成本的降低，户用储能产品越来越多的做为家用电器，出现在千家万户。常规的户用储能产品有两种组成方式，第一种由电池、逆变器、光伏充电器几个组件组成，选择电池或逆变器做为通讯和系统策略的主机，实现功率控制及数据采集处理；第二种由逆变器和储能逆变器组成，其中储能逆变器集成了第一种中的逆变器和光伏充电器两个组件的功能。本发明仅针对第一种组成结构的户用储能产品进行分析。

上述方案是市面上常用的实现方案，主要有三方面的缺陷或不足。1)在常用的户用储能系统中，各组件间都是采用直接通讯的方式建立连接的，如电池组件，需要和逆变器、光伏充电器进行通讯，各组件间耦合度较高，当其中某一组件有变更需求时，与其相关联的组件均需要进行不同程度的更改，增加了变更难度及项目成本，降低了对市场需求的响应速度；2)为了满足市场需求，组件的频繁变更，也是不利于组件的稳定性的；3)光伏充电器的利用率不高，当光伏充电器的输出能力在满足带载的同时，剩余能量大于当前电池最大充电能力时，为避免过充电池，常采用限制光伏充电器输出的方式规避此工况，但该工况采用此策略后，直接导致了光伏输出能量的降低，影响了用户收益。

综上所述，现有方案增加项目开发难度及成本的同时，不利于快速响应市场需求，降低了电池、逆变器等组件的稳定性及用户的光伏收益。

技术实现要素：

本发明提供一种户用储能产品的能量管理系统及方法，可以提供通讯端口的配置功能，端口通讯协议的配置功能、数据采集、数据处理、显示和功率分配功能。

实现本发明目的的技术方案是：一种户用储能产品的能量管理系统，户用储能产品包括电池、光伏充电器、逆变器和电网，户用储能产品的能量管理系统包括通讯端口配置单元、数据采集单元、数据处理单元、显示单元和功率分配单元，

通讯端口配置单元，通讯端口配置单元用于为电池、光伏充电器、逆变器和电网分配通讯端口并配置相应的通讯协议；

数据采集单元，数据采集单元用于收集电池、光伏充电器、逆变器和电网的运行状态信息和运行故障信息；

数据处理单元，数据处理单元用于统计和计算数据采集单元采集的数据；

显示单元，显示单元通过提供通讯接口，允许用户查看户用储能产品的能量管理系统的运行状态；

功率分配单元，功率分配单元根据数据采集单元采集的数据，使得户用储能产品合理的分配功率。

实现本发明目的的技术方案是：一种户用储能产品的能量管理方法，利用上述的一种户用储能产品的能量管理系统，包括如下步骤：

步骤S01，上电，启动户用储能产品的能量管理系统；

步骤S02，户用储能产品的能量管理系统的初始化；

步骤S03，读取电池、光伏充电器、逆变器和电网的端口类型参数和编号；

步骤S04，根据电池、光伏充电器、逆变器和电网的端口类型参数值，通讯端口配置单元分配相应的通讯端口；

步骤S05，根据电池、光伏充电器、逆变器和电网的编号，分配相应通讯端口的相应的通讯协议；

步骤S06，数据采集单元进行数据采集；

步骤S07，数据处理单元对数据采集单元采集的数据进行处理；

步骤S08，功率分配单元为户用储能产品分配合理的功率作为本发明的优化方案，。

作为本发明的优化方案，步骤S04，包括如下步骤：

步骤S041，根据电池的端口类型参数数值，分配对应的通讯端口；

步骤S042，根据光伏充电器端口类型参数数值，分配对应的通讯端口；

步骤S043，根据逆变器的端口类型参数数值，分配对应的通讯端口；

步骤S044，根据电网的电表的端口类型参数数值，分配对应的通讯端口。

作为本发明的优化方案，步骤S05，包括如下步骤：

步骤S051，根据电池的编号参数数值，分配对应的通讯端口的通讯协议；

步骤S052，根据光伏充电器的编号参数数值，分配对应的通讯端口的通讯协议；

步骤S053，根据逆变器的编号参数数值，分配对应的通讯端口的通讯协议；

步骤S054，根据电网的电表的编号参数数值，分配对应的通讯端口的通讯协议。

作为本发明的优化方案，步骤S06，包括如下步骤：

步骤S061，调用户用储能产品的能量管理系统和电池进行通讯，采集电池的状态数据；

步骤S062，调用户用储能产品的能量管理系统和逆变器进行通讯，采集逆变器的状态数据；

步骤S063，调用户用储能产品的能量管理系统和电网的电表进行通讯，采集电网的电表的状态数据；

步骤S064，调用户用储能产品的能量管理系统和光伏充电器进行通讯，采集光伏充电器的状态数据。

作为本发明的优化方案，步骤S07，包括如下步骤：

步骤S071，数据处理单元对电池的状态数据进行处理；

步骤S072，数据处理单元对逆变器的状态数据进行处理；

步骤S073，数据处理单元对光伏充电器的状态数据进行处理；

步骤S074，数据处理单元对电网的电表的状态数据进行处理；

步骤S075，数据处理单元对故障信息进行处理。

作为本发明的优化方案，步骤S08，包括如下步骤：

步骤S081，调用电池的输出限值生成函数；

步骤S082，调用电池的输入限值生成函数；

步骤S083，调用户用储能产品的能量管理系统交流输出限值生成函数；

步骤S084，调用户用储能产品的能量管理系统交流输入限值生成函数；

步骤S085，调用光伏充电器的输出限值生成函数；

步骤S086，调用逆变器的输出有功目标生成函数。

作为本发明的优化方案，在步骤S085，包括如下步骤：

步骤S0851，输入电池的充电限值，输入逆变器的输出限值；

步骤S0852，判断户用储能产品的能量管理系统通讯是否正常；如果是，执行步骤S0853，如果否，禁止光伏充电器输出，并提供告警提示功能；

步骤S0853，光伏充电器的输出限值＝电池的充电限值+逆变器的输出限值；光伏充电器的输出是直流能量，逆变器输出是交流能量；

步骤S0854，调用户用储能产品的能量管理系统和光伏充电器的通讯功能，执行写光伏充电器的输出限值命令。

作为本发明的优化方案，在步骤S086，包括如下步骤：

步骤S0861，参数输入；输入参数包括电网的功率和电池的功率；

步骤S0862，有功目标1生成；有功目标1是户用储能产品的能量管理系统匹配电网的功率产生的，匹配目标为零，电网当前功率为匹配过程的反馈值；

步骤S0863，有功目标2生成；有功目标2是户用储能产品的能量管理系统匹配电池的功率产生的，匹配目标为电池(1)输入限值，电池的当前功率为匹配过程的反馈值；

步骤S0864，判断有功目标2是否大于有功目标1；如果是，执行步骤S0865，如果否，逆变器的有功目标＝有功目标1；

步骤S0865，逆变器的有功目标＝有功目标2；

步骤S0866，调用户用储能产品的能量管理系统和逆变器的通讯功能，执行写逆变器输出有功功率目标命令

本发明具有积极的效果：1)本发明在传统户用储能系统中，引入了户用储能产品的能量管理系统，电池、逆变器等组件仅需要满足和户用储能产品的能量管理系统通讯，降低了系统的耦合性，在设计层面上，提升了系统的稳定性。

2)本发明提供了通讯端口和端口通讯协议的配置功能，允许接入不同规格或品牌的组件，提高了户用储能产品的兼容性。

3)本发明提供显示和功率分配功能，用户处的变更需求，往往集中在这两个功能上，降低了电池、逆变器等组件的变更频率，有助于各组件的定版，提高了各组件的稳定性也减少了组件维护人员的配置数量，有助于维护成本的降低。

4)本发明引入提供功率分配功能，在执行功率分配逻辑时，考虑了当前的带载需求、电池充放电能力、逆变器充放电能力及光伏充电机的输出能力，可减少光伏的浪费。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明：

图1为户用储能产品的结构示意图；

图2为户用储能产品的常规通讯拓扑图；

图3为本发明的通讯拓扑图；

图4为户用储能产品的能量管理方法的流程图；

图5为本发明户用储能产品的能量管理方法的硬件端口分配流程图；

图6为本发明户用储能产品的能量管理方法的端口协议分配流程图；

图7为本发明户用储能产品的能量管理方法的的数据采集流程图；

图8为本发明户用储能产品的能量管理方法的的数据处理流程图；

图9为本发明户用储能产品的能量管理方法的的功率分配流程图；

图10为光伏充电器输出限值的算法流程图；

图11为逆变器输出有功目标的算法流程图。

其中：1、电池，2、光伏充电器，3、逆变器，4、电网。

具体实施方式

如图1所示，户用储能产品包括电池1、光伏充电器2、逆变器3和电网4，电池1和光伏充电器2均通过连接电路连接逆变器3，逆变器3与电网4通过连接电路连接。

如图2所示，户用储能产品的常规通讯拓扑图包括电池1、光伏充电器2、逆变器3、电网4、用于电池1和逆变器3间通讯的通讯电路、用于光伏充电器2和逆变器3间通讯的通讯电路、用于逆变器3和电网4间通讯的通讯电路。其中逆变器3和电网4间的通讯，是指逆变器和电表间的通讯，为了获得电网侧功率、电压、电流及统计量等信息。

如图3所示为本发明的通讯拓扑图，包括电池1、光伏充电器2、逆变器3、电网4、监控显示设备、用于电池1和户用储能产品的能量管理系统间通讯的通讯电路、用于光伏充电器2和户用储能产品的能量管理系统间通讯的通讯电路、用于逆变器3和户用储能产品的能量管理系统间通讯的通讯电路、用于电网4和户用储能产品的能量管理系统间通讯的通讯电路、用于监控显示设备和户用储能产品的能量管理系统间通讯的通讯电路。其中户用储能产品的能量管理系统和电网间的通讯，是指能量管理系统和电表间的通讯，为了获得电网侧功率、电压、电流及统计量等信息。监控显示设备可以是触摸屏、手机、网站监控等。从通讯拓扑可见，电池1、逆变器3、光伏充电器2等户用储能产品，仅需满足和户用储能产品的能量管理系统间的通讯，对比图2各组件间通讯接口的复杂性得到降低，降低了组件间的耦合性，使户用储能产品在设计上的稳定性得到提高。

户用储能产品的能量管理系统包括通讯端口配置单元、数据采集单元、数据处理单元、显示单元和功率分配单元，

通讯端口配置单元，通讯端口配置单元用于为电池1、光伏充电器2、逆变器3和电网4分配通讯端口并配置相应的通讯协议；

数据采集单元，数据采集单元用于收集电池1、光伏充电器2、逆变器3和电网4的运行状态信息和运行故障信息；

数据处理单元，数据处理单元用于统计和计算数据采集单元采集的数据；

显示单元，显示单元通过提供通讯接口，允许用户查看户用储能产品的能量管理系统的运行状态；

功率分配单元，功率分配单元根据数据采集单元采集的数据，使得户用储能产品合理的分配功率。

本发明允许根据电池1、光伏充电器2、逆变器3等组件提供的对外通讯方式、组件编号，分配通讯端口类型及采用的通讯协议版本，通讯连接创建后，采集电池1、逆变器3等组件运行信息和故障信息，对采集的数据进行处理，执行功率分配等功能。

如图4所示，本发明还公开了一种户用储能产品的能量管理方法，利用上述的一种户用储能产品的能量管理系统，包括如下步骤：

步骤S01，上电，启动户用储能产品的能量管理系统；

步骤S02，户用储能产品的能量管理系统的初始化；

步骤S03，读取电池1、光伏充电器2、逆变器3和电网4的端口类型参数和编号；

步骤S04，根据电池1、光伏充电器2、逆变器3和电网4的端口类型参数值，通讯端口配置单元分配相应的通讯端口；

步骤S05，根据电池1、光伏充电器2、逆变器3和电网4的编号，分配相应通讯端口的相应的通讯协议；

步骤S06，数据采集单元进行数据采集；

步骤S07，数据处理单元对数据采集单元采集的数据进行处理；

步骤S08，功率分配单元为户用储能产品分配合理的功率。

从本发明对端口类型及通讯协议的分配策略可以看出，电池1、逆变器3和光伏充电器2等户用储能产品在系统集成过程中，可以有多种选择，在实际的商业过程中，户用储能系统的分销商对逆变器3、电池1或光伏充电器2都有不同程度的倾向，实施了本方案的户用储能产品的能量管理系统能很好的满足用户对组件的指定需求。

如图5所示，在具体实施中，为了实现根据各组件端口类型参数数值，分配对应的通讯端口步骤S04，包括如下步骤：

步骤S041，根据电池1的端口类型参数数值，分配对应的通讯端口；

步骤S042，根据光伏充电器2端口类型参数数值，分配对应的通讯端口；

步骤S043，根据逆变器3的端口类型参数数值，分配对应的通讯端口；

步骤S044，根据电网4的电表的端口类型参数数值，分配对应的通讯端口。

户用储能产品的能量管理系统提供的通讯端口包括RS485、RS232、CAN等方式，电池1、逆变器3、光伏充电器2、电表等户用储能系统组件对应的端口类型参数，具体数值可以是RS485、RS232、CAN或未接入。户用储能产品的能量管理系统提供的接口数量有限，当需要的同类型接口数量多于户用储能系统预留的对外通讯接口时，系统不允许运行，处于待机状态，并提供相应的故障指示，器件选型阶段，需要引起重视。

如图6所示，在具体实施中，为了实现根据各组件编号参数数值，组件即电池1、逆变器3、光伏充电器2，分配对应的通讯端口步骤S05，包括如下步骤：

步骤S051，根据电池1的编号参数数值，分配对应的通讯端口的通讯协议；

步骤S052，根据光伏充电器2的编号参数数值，分配对应的通讯端口的通讯协议；

步骤S053，根据逆变器3的编号参数数值，分配对应的通讯端口的通讯协议；

步骤S054，根据电网4的电表的编号参数数值，分配对应的通讯端口的通讯协议。

户用储能产品的能量管理系统，对各通讯端口提供多种通讯协议，通讯协议和组件编号一一对应，允许系统集成过程中，根据组件差异，选择对应的通讯协议。本发明引入的户用储能系统兼容多种型号的电池1、光伏充电器2、逆变器3、电表的通讯协议，增加了户用储能系统的兼容性。

如图7所示，在具体实施中，户用储能产品的能量管理系统提供数据采集功能，数据采集需要借助和电池1、逆变器3、光伏充电器2、电表的通讯，收集这些组件当前的状态信息和故障信息步骤S06，包括如下步骤：

步骤S061，调用户用储能产品的能量管理系统和电池1进行通讯，采集电池1的状态数据；

步骤S062，调用户用储能产品的能量管理系统和逆变器3进行通讯，采集逆变器3的状态数据；

步骤S063，调用户用储能产品的能量管理系统和电网4的电表进行通讯，采集电网4的电表的状态数据；

步骤S064，调用户用储能产品的能量管理系统和光伏充电器2进行通讯，采集光伏充电器2的状态数据。

如图8所示，在具体实施中，本发明对采集到的数据进行数据处理，处理后的数据作为显示和系统控制使用，步骤S07，包括如下步骤：

步骤S071，数据处理单元对电池1的状态数据进行处理；

步骤S072，数据处理单元对逆变器3的状态数据进行处理；

步骤S073，数据处理单元对光伏充电器2的状态数据进行处理；

步骤S074，数据处理单元对电网4的电表的状态数据进行处理；

步骤S075，数据处理单元对故障信息进行处理。

如图9所示，在具体实施中，本发明提供了功率分配的功能，数据处理函数的输出作为功率分配功能的输入参数，功率分配模块的输出为逆变器3目标有功功率和光伏充电器2输出限值在步骤S08，包括如下步骤：

步骤S081，调用电池1的输出限值生成函数；

步骤S082，调用电池1的输入限值生成函数；

步骤S083，调用户用储能产品的能量管理系统交流输出限值生成函数；

步骤S084，调用户用储能产品的能量管理系统交流输入限值生成函数；

步骤S085，调用光伏充电器2的输出限值生成函数；

步骤S086，调用逆变器3的输出有功目标生成函数。

从本发明的功率分配步骤可以看出，户用储能产品的能量管理系统在实现功率分配时，考虑了电池1、逆变器3、光伏充电器2等组件的运行状态及故障状态，针对各组件，提供组件的输入或输出能力生成函数，增加了系统安全性。

如图10所示，具体实施中，为了实现充电器输出限值在步骤S085，包括如下步骤：

步骤S0851，输入电池1的充电限值，输入逆变器3的输出限值；

步骤S0852，判断户用储能产品的能量管理系统通讯是否正常；如果是，执行步骤S0853，如果否，禁止光伏充电器2输出，并提供告警提示功能；

步骤S0853，光伏充电器2的输出限值＝电池1的充电限值+逆变器3的输出限值；光伏充电器2的输出是直流能量，逆变器3输出是交流能量；

步骤S0854，调用户用储能产品的能量管理系统和光伏充电器2的通讯功能，执行写光伏充电器2的输出限值命令。

当前，部分产品提供了动态更改光伏充电器的输出能力的方法，常见的算法光伏充电器输出限值＝电池充电限值+逆变器当前输出功率。当当前光伏可输出的功率远大于电池充电能力，且系统负载需求远小于逆变器输出能力时，采用本发明提供的光伏输出限值算法的户用储能产品的能量管理系统，光伏充电器2可以产出更多的能量。可以采用此光伏充电器2输出限值算法是基于本发明能量管理系统引入了步骤S086。

如图11所示，具体实施中，为了实现生成逆变器输出有功目标值在步骤S086，包括如下步骤：

步骤S0861，参数输入；输入参数包括电网4的功率和电池1的功率；

步骤S0862，有功目标1生成；有功目标1是户用储能产品的能量管理系统匹配电网4的功率产生的，匹配目标为零，电网4当前功率为匹配过程的反馈值；

步骤S0863，有功目标2生成；有功目标2是户用储能产品的能量管理系统匹配电池1的功率产生的，匹配目标为电池1输入限值，电池1的当前功率为匹配过程的反馈值；

步骤S0864，判断有功目标2是否大于有功目标1；如果是，执行步骤S0865，如果否，逆变器3的有功目标＝有功目标1；

步骤S0865，逆变器3的有功目标＝有功目标2；

步骤S0866，调用户用储能产品的能量管理系统和逆变器3的通讯功能，执行写逆变器3输出有功功率目标命令。

从本发明的功率分配算法可以看出，步骤S085和步骤S086是相互配合的，S085提供的光伏充电器限值算法，可以创造光伏充电器输出功率在满足充电电池和带载需求的同时，向电网4放电的工况，而步骤S086提供了将多余能量转化为逆变器有功功率目标，并将该多出来的能量输送到电网4，创造更多利润的方法。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。