一种用于智能家居光储发电系统的能量控制方法与流程

本发明涉及一种智能家居的能量控制领域，尤其是一种用于智能家居光储发电系统的能量控制方法。

背景技术

据国家能源局发布数据显示，2017年光伏发电新增装机5306万千瓦，居可再生能源之首，远超风电(1503万千瓦)、水电(900万千瓦)、生物质发电(274万千瓦)，彰显了光伏产业在其中发挥的重要作用。为鼓励光伏产业的健康有效发展，国家颁布了一系列扶持政策，市场前景广阔。随着可再生能源的兴起，光伏发电技术不断成熟，其应用方式越来越丰富。如何充分利用太阳能，制定高效的能量控制方法值得关注。

能量控制方法是指运行在能量管理系统(ems)上的方法，以最小的成本保证供电安全性以及用电经济性。其影响因素来自各个方面，供电侧的光伏功率、电价，蓄电池储能，转换效率，需求侧的负荷等。

经检索，公开号为102403930a(cn102403930b授权)的中国专利申请，该发明提供了一种独立式光伏发电系统及容量优化方法。其独立式光伏发电系统包括光伏分系统、蓄电池分系统、负载和控制中心。在该发明中，能量控制方法的目的是协调发电系统的各个部件，在满足用户负载日常需求的同时实现全年的能源供需平衡。通过气象数据和负载数据对发电系统中的各元件的容量进行优化，确定能够实现全年能源供需平衡的系统容量最佳配置。该方法适用于使用单种和多种能源存储设备的光伏发电系统容量优化，用户可按需进行配置。

公开号为103545847a的中国专利申请，该发明涉及一种太阳能光伏发电的能量管理系统,其包括三种模式：独立运行、并网运行和系统关闭，分为光伏控制子系统，电池管理子系统。通过对逆变器和蓄电池的充放电控制，实现向电网提供更多的电能、负荷侧电能质量提高、ups、无功功率补偿、谐波抑制、为电网提供电压和频率支持等功能。电池管理子系统充电时包括恒流充电和恒压充电两种模式，放电时则维持直流母线电压等于光伏最大功率跟踪电压不变，当光伏发电少于设定值且电池无电时，则系统关闭。

与公开号为102403930a和103545847a的中国专利申请相比，首先：本发明提出的适用于智能家居光储发电系统的能量控制方法不仅能够使太阳能利用率更高，并且提高了经济性；其次，专利102403930a和103545847a中提出的控制策略主要目的在于保证系统的稳定运行特性，提高系统可靠性，而本发明是充分利用时间因素，在系统可靠运行的基础上，通过合理安排系统运行方式及时段，提高经济性。最后，本发明提出的能量控制方法不仅考虑了光伏上网的售电方式，还创新性地提出了设立快速充电桩方式售电来进一步提高利润。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种一种用于智能家居光储发电系统的能量控制方法，使用户经济效益最大化，本发明充分利用时间因素，综合考虑光照条件、负载情况、蓄电池充放电情况和峰谷电价因素，实现最优化的谷价蓄电。

本发明是根据以下技术方案实现的：

一种用于智能家居光储发电系统的能量控制方法，其特征在于：对于居住在实行了峰谷电价政策的地区并且配备了智能家居系统的居民用户，在电价谷时段增加用电量用于蓄电池充电，在电价峰时段利用蓄电池辅助新能源发电，满足用户负载需求的同时将余电上网，所述新能源为太阳能，发电方式为光伏发电，在光伏发电装置中使用蓄电池组成光储发电系统。

上述技术方案中，所述蓄电池采用磷酸铁锂电池，容量满足居民用户峰时段用电需求，将电动自行车、新能源汽车的车载电池作为储能装置加入家庭光储发电系统，使得电能应用方式多样化，降低蓄电池投资成本。

上述技术方案中，所述光储发电系统包括三种运行工况，具体包括：并网运行，能量由光伏流向负载和电网；孤岛运行，能量由蓄电池流向负载；并网运行，能量由电网流向蓄电池和负载。

上述技术方案中，所述智能家居光储发电系统应包括中央控制单元、电压及电流采样单元、定时控制单元，所述定时控制单元记录时间变化以及判断峰谷时段，所述中央控制单元根据特定算法预测光伏发电功率随时间变化的曲线，记录负载使用数据，根据数据合理安排第二天负载的运行时段，使其匹配光伏发电预测曲线，从而减小蓄电池放电深度，延长电池使用寿命；所述电压及电流反馈信号判断光伏发电功率和负载功率的大小关系，作为工况切换的条件。

上述技术方案中，所述居民用户的居住地区晚上10点到次日早上6点执行谷价，早上6点到晚上10点执行峰价；光伏补贴按照自发自用余电上网执行，包括当地燃煤标杆上网电价，国家补贴和地区补贴，其中地区补贴执行5年，国家补贴执行20年；销售电价及补贴作为工况切换的条件。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提出的控制方法在考虑时间因素后，供电的优先级不再为光伏、电池、电网，而是在电价低谷时段主动选择由电网供电，即电池的荷电状态不再列为工况转换的依据，可以避免电池过量放电，有利于延长电池的使用寿命。同时，减少了一种工况，使控制系统更加简洁。这种能量控制方法工况明确，切换条件简单，充分发挥了蓄电池的储能作用，应用方式多样，经济性高。记录使用数据，能够个性化地匹配用户的使用习惯，增强智能家居的舒适度及体验感。适当充放电对电池起到养护作用，也减小了对电网的冲击，起到削峰填谷的均衡作用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明中光储发电系统结构；

图2是本发明所提出的能量控制方法执行的流程图；

图3是本发明所提出的能量控制方法的工况切换图；

图4是五年内光伏发电系统、传统光储发电系统和采用本发明提出的能量控制方法的光储发电系统的日利润对比图；

图5是五年后光伏发电系统、传统光储发电系统和采用本发明提出的能量控制方法的光储发电系统的日利润对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为光储发电系统结构。如图所示，光伏系统由光伏组件、蓄电池、负载、双向变换器等组成，同时与电网有交互。组件可构成多种运行方式。

本发明的一种用于智能家居光储发电系统的能量控制方法，对于居住在实行了峰谷电价政策的地区并且配备了智能家居系统的居民用户，在电价谷时段增加用电量用于蓄电池充电，在电价峰时段利用蓄电池辅助新能源发电，满足用户负载需求的同时将余电上网，所述新能源为太阳能，发电方式为光伏发电，在光伏发电装置中使用蓄电池组成光储发电系统。

蓄电池采用磷酸铁锂电池，容量满足居民用户峰时段用电需求，将电动自行车、新能源汽车的车载电池作为储能装置加入家庭光储发电系统，使得电能应用方式多样化，降低蓄电池投资成本。

智能家居光储发电系统应包括中央控制单元、电压及电流采样单元、定时控制单元，所述中央控制单元根据特定算法预测光伏发电功率随时间变化的曲线，记录负载使用数据，根据数据合理安排第二天负载的运行时段，使其匹配光伏发电预测曲线，从而减小蓄电池放电深度，延长电池使用寿命；所述电压及电流反馈信号判断光伏发电功率和负载功率的大小关系，作为工况切换的条件，负载如洗衣机、洗碗机、电热水器等。

居民用户的居住地区晚上10点到次日早上6点执行谷价，早上6点到晚上10点执行峰价；光伏补贴按照自发自用余电上网执行，包括当地燃煤标杆上网电价，国家补贴和地区补贴，其中地区补贴执行5年，国家补贴执行20年；销售电价及补贴作为工况切换的条件。

对于单元房住户，屋顶属于公共设施，在不影响公共设施维护空间及邻里关系、安全保障的条件下，安装使用面积有限，一般家庭以安装3-5千瓦(屋顶面积25-50m2)为宜。对于独栋房(如别墅)住户，在光伏规模足够的情况下，可采用建设充电桩以快充的方式销售多余电量的策略。

三种运行工况具体包括：并网运行，能量由光伏流向负载和电网；孤岛运行，能量由蓄电池流向负载；并网运行，能量由电网流向蓄电池和负载。图2为具体能量控制方法工况切换。工况1,2,3分别代表并网运行，网侧变换器逆变；孤岛运行，电池供电；并网运行，网侧变换器整流。ppv为光伏发电功率，pl为负载功率，soc(stateofcharge)代表电池荷电状态。工况之间的切换条件为光伏发电功率和负载功率的大小关系以及时间因素。在谷时段(晚上10点至次日早上6点)以工况3运行，电网给负载供电，网侧变换器整流，给蓄电池充电，避免电池过量放电，有利于延长电池的使用寿命。早上6点过后，由工况3切换至工况2，孤岛运行，由蓄电池辅助供电。此时若ppv＞pl，则由工况2切换至工况1，网侧变换器逆变，将光储系统发出的多余电量上网。若ppv＜pl，再由工况1切换至工况2，由蓄电池辅助供电。晚上10点过后，由工况2切换至工况3，给蓄电池充电。如此循环往复，不断记录相关数据，例如光伏发电功率曲线，利用灰色预测和马尔科夫模型进行更精确的预测，提高系统的精度和利润。

下面进行一个具体实例的演算，来说明该能量控制方法的经济性。以上海市闵行区某户居民为例，其光伏装机容量为ppv＝4kw，光伏组件初始投资成本约为35000元，理论使用年限25年，不考虑资金时间价值时折合到日投资为cpv＝3.8元/天。蓄电池采用两块48v60ah磷酸铁锂电池，成本约6000元，100％放电深度情况下循环寿命约1500次(容量衰减至80％)。两天充放电一次，则锂电池组使用年限为8年，折合到日投资为cbat＝2元/天。该用户日平均用电量约7kwh，峰时用电wpeak＝5kwh，峰时段平均用电功率300w，年用电量在3120kwh以内，因此峰谷电价分别为cpeak＝0.617元/kwh，cvalley＝0.307元/kwh。余电上cgrid＝0.7855元/千瓦时，国家补贴为cnation＝0.37元/千瓦时，地区补贴为clocal＝0.4元/千瓦时。

分别计算光伏发电系统，传统光储发电系统和采用本发明提出的能量控制方法的光储发电系统的日收益。

家用光储电站每天晚上利用物联网智能家居系统获取第二天的天气信息，根据典型光照曲线及天气信息生成发电量预测曲线。同时，根据智能家居日常使用情况数据调节可调负载，合理安排第二天可调负载的运行时段，使其匹配光伏发电预测曲线，进而控制晚间蓄电池放电深度，晚上10点后，以谷电价对蓄电池进行充电。记录第二天实际使用情况与预测曲线及使用情况的偏差，利用灰色预测或马尔科夫等预测模型，对预测算法进行优化，以达到经济性最大化的目的。除此之外，蓄电池可由家中电动交通工具里的蓄电池联合组成。

在光伏规模足够的情况下，可采用建设充电桩以快充的方式销售多余电量。从长远发展来看，光伏发电装置缓解了日益短缺的化石燃料危机，也不会产生污染物，可量化为环境收益。

本发明提出的控制方法在考虑时间因素后，供电的优先级不再为光伏、电池、电网，而是在电价低谷时段主动选择由电网供电，即电池的荷电状态不再列为工况转换的依据，可以避免电池过量放电，有利于延长电池的使用寿命。同时，减少了一种工况，使控制系统更加简洁。这种能量控制方法工况明确，切换条件简单。充分发挥了蓄电池的储能作用，应用方式多样，经济性高。记录使用数据，能够个性化地匹配用户的使用习惯，增强智能家居的舒适度及体验感。适当充放电对电池起到养护作用，也减小了对电网的冲击，起到削峰填谷的均衡作用。

采用本发明提出的能量控制方法，日利润由下式给出：

profit＝wpeak·(cpeak+cnation+clocal)+(∫ppvdt-∫pldt)(cgrid+clocal)-(wpeak-∫pldt)·cvalley-cpv-cbat(1)

profit'＝wpeak·(cpeak+cnation)+(∫ppvdt-∫pldt)·cgrid-(wpeak-∫pldt)·cvalley-cpv-cbat(2)

式中profit代表5年内光储发电系统日利润，profit'代表5年后光储发电系统日利润，wpeak代表用户峰时用电量，cpeak代表峰时段电价，cvalley代表谷时段电价，cnation代表国家补贴，clocal代表地区补贴，cgrid代表光伏余电上网电价，cpv代表光伏投资折算到每天的成本，cbat代表蓄电池投资折算到每天的成本，ppv代表光伏装机容量，pl代表负载功率，t代表一天的有效日照小时数，∫ppvdt代表在光照有效时间内光伏发电量，∫pldt代表在光照有效时间内负载用电量。

对于光伏发电系统，由于不具备蓄电池，因此只有并网运行的两种工况，在pv输出功率小于负载功率时向电网要电，在pv输出功率大于负载功率时向电网馈电。日利润由(3)(4)两式给出：

profit＝∫pldt·(cpeak+cnation+clocal)+(∫ppvdt-∫pldt)·(cgrid+clocal)-cpv(3)

profit'＝∫pldt·(cpeak+cnation)+(∫ppvdt-∫pldt)·cgrid-cpv(4)

传统光储发电系统的日利润由(5)(6)两式给出：

采用本发明提出的能量控制方法的光储发电系统日利润已由(1)(2)两式给出。

经过计算可得到如下结果：光伏系统日利润曲线在传统光储系统日利润曲线之上，说明加入蓄电池后光伏系统的经济性不一定能够提高，原因是光伏发电规模较小时，蓄电池成本在整个投资成本中占比较高，如不采用适当的能量控制方法，其经济性不如没有蓄电池的光伏系统。而在采用了经优化的能量控制方法后，光储系统产生的日利润显著提高，高于其他两种方式。上海每年日均峰值辐照时数为3.81小时，得到五年内光伏系统、传统光储系统、采用优化能量控制方法的光储系统的平均日利润分别为14.50元、13.27元、16.66元，五年后平均日利润分别为8.40元、7.18元、9.02元。蓄电池在电力系统中起着削谷平峰的作用，改善了供电质量，加强了系统工作的稳定性和可靠性，同时提高了经济性。通过建立充电桩将蓄电池储存的多余电量进行售卖，能够最大化光伏发电的收益，同时保证5年后的收益仍能维持在较高水平。

基于上述实施例，本发明结构简单，与传统能量控制方法相比，提出的能量控制方法可以实现25％的发电利润提升。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。