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)：

人們對能源的需求不斷增加，而大部分能源來源于化石燃料，由于化石燃料的燃燒產(chǎn)生的廢氣，環(huán)境問題日益凸顯。對此，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?。自然界中多種可再生能源，如風(fēng)能、潮汐能、太陽能等等，其中最容易獲得以及使用的是太陽能，因此，從個(gè)人用戶的角度來考慮，太陽能是合適的能量來源。通過結(jié)合電網(wǎng)的電能以及通過太陽能獲得的電能，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)的專利，如公開號為cn104184394a，名稱為“一種家用離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)”的發(fā)明專利，但目標(biāo)多為解決停電時(shí)對家電的供電問題，而沒有針對利用太陽能減少電費(fèi)以及電能消耗的專利。而公開號為cn202617043u，名稱為“家用光伏供電系統(tǒng)”的發(fā)明專利，提出了將光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)結(jié)合起來向家用電器供電的方法，但是主要目的是在太陽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能以減少電費(fèi)以及電能消耗的方案的問題，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)、耗電量以及用戶不便性的條件下得到配電方案，并且可以根據(jù)用戶的不同要求調(diào)整控制方法，并通過得到的控制方法達(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)置有受控開關(guān)，所述受控開關(guān)在所述控制模塊控制下，控制光伏電池的供電對象。

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，和ui(t)是二進(jìn)制數(shù)，值為1時(shí)代表第i個(gè)負(fù)載在t時(shí)刻工作，值為0時(shí)代表第i個(gè)負(fù)載在t時(shí)刻不工作，是用戶平時(shí)對負(fù)載的使用安排，ui(t)是系統(tǒng)對負(fù)載使用的安排；

由此定義

其中a是討論的負(fù)載總數(shù)，γi是編號為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)劃問題，通過求解目標(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)，可以通過調(diào)整用電時(shí)間來改變電費(fèi)，如避開用電高峰期，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，通過有線或者無線通信方式的控制器來控制各個(gè)家電的工作狀態(tài)成為了可能，同時(shí)，還可以方便地對各類配電開關(guān)進(jìn)行控制以分配電能流向，比如通過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，通過平衡電費(fèi)、電能消耗和用戶不便性得到的控制方法，可以在考慮用戶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)施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請見圖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、逆變器以及受控開關(guān)。光伏電池將太陽能轉(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)置有受控開關(guān)，受控開關(guān)在控制模塊控制下，控制光伏電池的供電對象。

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)，分別對應(yīng)用電高峰、低谷和正常的時(shí)間段。這樣，可以通過調(diào)整家電的使用時(shí)間來改變電費(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，但是為了簡化，不考慮一些功率相對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：一是靈活類型的電器，這類電器的工作時(shí)間任意，工作時(shí)間變化不給用戶帶來不便；二是可變類型的電器，工作時(shí)間的改變會(huì)給用戶帶來一定的不便，但是用戶可以根據(jù)自身要求決定是否接受工作時(shí)間的變化帶來的不便；三是固定類型的電器，工作時(shí)間固定，用戶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)n是控制間隔的個(gè)數(shù)，n＝288，ρ(t)是t時(shí)刻的電費(fèi)單價(jià)，ρ′是將電賣回電網(wǎng)的單價(jià)，δt是控制間隔，即5分鐘；定義一天總耗能不便性其中i是家電的序號，和ui(t)是二進(jìn)制數(shù)，值為1時(shí)代表第i個(gè)家電在t時(shí)刻工作，值為0時(shí)代表第i個(gè)家電在t時(shí)刻不工作，是用戶平時(shí)對家電的使用安排，ui(t)是控制方法中對家電使用的安排，由此定義其中a是討論的家電總數(shù)，γi是編號為i的家電的權(quán)重系數(shù)。最終得到目標(biāo)函數(shù)minf＝δjc+αje+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)，建立了一個(gè)混合整形非線性規(guī)劃問題，通過求解目標(biāo)函數(shù)的最小值得到控制方法。

中國標(biāo)準(zhǔn)市電電壓us＝220v，用戶用電最大電流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，對用戶而言是一個(gè)好的選擇。并且，控制方法可以根據(jù)不同用戶的不同需求而調(diào)整，因此，控制方法較為靈活，可以滿足不同需要。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)考慮用戶的不便性；

(3)通過控制器實(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，本說明書未詳細(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)為是對本發(fā)明專利保護(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)明的請求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。