CN109217356A - 将从太阳能导出的电能分配给多个群组的方法 - Google Patents

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Abstract

一种将从太阳能导出的电能分配群组(Gk)的方法，对于每个群组，该方法包括以下步骤：定义消耗概况：对于每个新的一天，定义可用日常能量的量(Ek)，并且向群组分配针对该新的一天的每个小时的能量信用(Crk(Ti)0)；在时间T，估计已经被该群组消耗的当前消耗能量的量(Indk(T))，并且估计在前一小时结束时消耗的在先消耗能量的量；在时间T，估计可用能量的量(Edisp(k,Ti‑1))；如果当前消耗能量的量与在先消耗能量的量之差大于或等于可用能量的量加上分配给当前小时的能量信用之和，则中断电能的分配，直到下一小时开始。

Description

将从太阳能导出的电能分配给多个群组的方法
本发明涉及将从太阳能导出的电能分配给多个群组的方法的领域，每个群组有至少一个电气装置。
背景技术
在日照水平高并且常规电网无法触及到整个领土的某些国家中，正在开发独立的太阳能发电厂。
传统地，发电厂包括多个光伏面板面板、用于存储从太阳能导出的电能的电池、以及用于转换和分配电力的各种电力设备。
电力被用于向各种电气装置供电。借助于示例，此种电气装置可被集成在电信站点中、或住所中、或隔离村庄的医务室中。
因此获得与常规电网隔离的电力网。这些也被称为“离网”网络。
自然地，在这样隔离的电网中可用的电能量取决于发电厂所在区域的日照水平。太阳能是间歇性能源。存储在发电厂的电池中的电能用于在没有太阳的时段期间向电气装置供电。
在隔离电网中，发现存储由发电厂产生的电能的成本是主要成本，并且通常位于该隔离电网的总成本的50％到60％的范围中。
发明目的
本发明的目标是为了降低在隔离电网中存储电能的成本，同时避免长历时的停电或“断电”。
发明内容
为了达成该目的，提供了一种将从太阳能导出的电能分配给多个群组的方法，每个群组有至少一个电气装置，该方法包括以下步骤：
定义针对每个群组的消耗概况，该消耗概况由消耗比例组成，每个消耗比例与基准日的不同小时相关联；
对于每个新的一天，定义每个群组的可用日常能量的量并且在消耗概况和可用日常能量的量的基础上，向该群组分配针对该新的一天的每个小时的能量信用；
在位于当前小时内的时间T，估计已经被该群组消耗的当前消耗能量的量，并且估计在前一小时结束时消耗的在先消耗能量的量；
在时间T，估计在前一小时结束时可用的可用能量的量；以及
如果当前消耗能量的量与在先消耗能量的量之差大于或等于可用能量的量加上分配给当前小时的能量信用之和，则中断电能对该群组的分配，直到下一小时开始。
在必要的情况下，本发明的分配方法使得借助于个体电力断电来限制电气装置群组的消耗成为可能，该个体断电是很短的并且因此不是非常惩罚性的。这使得显著减少存储电能的电池的容量比功能器因此降低成本，同时仍避免长历时的断电成为可能。
本发明还提供了用于太阳能发电厂的电气控制装备，该电气控制装备包括安排成执行如上所述的分配方法的通信模块和处理器组件。
本发明还提供了隔离电网，其包括太阳能发电厂和多个群组，每个群组有至少一个电气装置，太阳能发电厂包括如上所述的电气控制装备。
本发明还提供了包括使太阳能发电厂的电气控制装备的微控制器能实现上述分配方法的指令的计算机程序。
本发明还提供了存储装置，其特征在于，它们存储包括指令的计算机程序，该指令使太阳能发电厂的电气控制装备的微控制器能实现上述分配方法。
在阅读了下面的对本发明的特定、非限制性实施例的描述之后，本发明的其他特征及优点将变得显而易见。
附图简述
参考各附图，在附图中：
图1示出了实现本发明的分配方法的第一隔离电网；
图2是给出与基准日的每个小时相关联的消耗的比例值的表，该表形成消耗概况；
图3示出了本发明的分配方法的步骤；
图4示出了实现本发明的分配方法的第二隔离电网；以及
图5示出了在第二隔离电网中使用的非集中式配电柜。
具体实施方式
参照图1，本发明的分配方法是在第一隔离电网1中实现的。
第一隔离电网1包括独立的太阳能发电厂2和由该太阳能发电厂2供电的多个电气装置Ie。
发电厂2具有一组光伏面板3、光伏逆变器4、多个充电逆变器5、一组电池6、以及电气控制装备7。电池6是铅酸电池。光伏面板3将太阳能转换为直流(DC)电能。
光伏逆变器4将DC电能转换成交流(AC)电能。在该示例中，AC电能是以三相电流It和具有等于230伏(V)的均方根(RMS)电压的三相电压Vt的形式。
三相电压Vt被施加到充电逆变器5的输入端。因此，当天气状况允许电池6被充电时，每个充电逆变器5将三相电压转换为向电池组6充电的充电电压Vc。在该示例中，充电电压Vc是-48V的负电压。电池6的正极连接至接地。
电气控制装备7包括处理器组件8和存储器9。在该示例中，处理器组件8是微控制器。处理器组件8可以是某个其它组件，例如处理器或现场可编程门阵列(FPGA)。
微控制器控制隔离电网1的操作。特别是，微控制器因此被适配成执行具有用于执行本发明的分配方法的程序的指令。
电气控制装备7还包括第一通信模块11。在该示例中，第一通信模块11是电力线载波通信模块。
电气装置Ie被组织成多个群组，具体地n个群组Gk。每个群组Gk包括一个或多个电气装置Ie。群组Gk可能(但不必然)对应于电气装置Ie的地理分布。
网络量表12位于每个群组Gk的上游。术语“上游”被用于意指在与发电厂2相同一侧上，即在能源旁。术语“下游”被用于意指在与电气装置Ie相同一侧上，即在能量消费者旁。
每个网络量表12具有测量装置14、开关设备15和第二通信模块16。
测量装置14用于测量由群组Gk消耗的电能量。这些测量使用第一通信模块11和第二通信模块16被传送给电气控制装备7。
在该示例中，第二通信模块16是电力线载波通信模块。
开关设备15包括使电能能够分配给要断开的群组Gk的开关。开关设备15由网络量表12的控制组件来控制，该控制组件本身由电气控制装备7来控制。这些命令经由第一通信模块11和第二通信模块16被传送给开关设备15。
某些电气装置Ie还设置有相应的个体量表18。电气装置Ie的个体量表18则位于电气装置Ie的上游以及相应群组Gk的网络量表12的下游。每个个体量表18具有测量装置以及可任选地，开关设备和电力线载波通信模块。
电气装置Ie的群组Gk由施加于三相线20的三相电压Vt来供电。在任何一个群组Gk内，电能随后经由单相线被分配给群组Gk的电气装置Ie。接下来是本发明的分配方法的更详细描述。
通过使用四个群组来解说分配方法，每个群组由一个或多个电气装置构成。
分配方法最初存在于为每个群组定义消耗概况中。
消耗概况由消耗比例构成，每个消耗比例与基准日的不同小时相关联。此种消耗概况可从图2中看到。图2的消耗概况是由四个群组构成的概况：群组G1、群组G2、群组G3和群组G4。
在图2的表21中，考虑基准日从早上6点开始。
对于基准日中的每个小时H而言，规定的消耗比例P对应于相对于在整个基准日上消耗的能量的量的在小时H期间消耗的能量的量。
基准日是“典型”日。消耗比例P因此对应于意指对于每个群组Gk期望或预期的比例。
因此，借助于示例，可以看出，对于群组G4从6:00到6:59期望的消耗对应于在基准日期间群组G4的日常能耗的7％。
消耗概况被存储在电气控制装备7的存储器9中。
在每个新的一天开始之前，对于该新的一天定义针对每个群组Gk的可用的日常能量的量Ek。可用日常能量的量Ek的总和因此等于发电厂能在该新的一天提供的总日常能量的量ETot：
ETot＝E1+E2+E3+E4。
其后，向每个群组Gk分配针对新的一天的每个小时的能量信用。针对新的一天的每个小时，通过将消耗比例乘以可用日常能量Ek来根据消耗概况和可用日常能量的量Ek定义能量信用。
因此，针对新的一天获得以下：
Crk(Ti)＝Ek.Pk(Ti)
其中Crk(Ti)是分配给针对小时Ti的群组Gk，Ek是针对群组Gk的可用日常能量量，而Pk(Ti)是针对群组Gk的与小时Ti相关联的消耗比例。
每个能量信用在每天的开始，即在6:00被复位为0。对于新的一天，不存在前一天没有消耗的能量信用的结转。
其后，分配方法具有在新的一天期间实现的多个步骤。
这些步骤在每个新的一天重复。针对每个群组Gk执行这些步骤。
参照图3，分配方法因此始于初始化步骤E0。在初始化步骤E0期间，变量Cdek被初始化为1，变量Edisp(k,T)针对T＝T0＝0被初始化为0，而变量i被初始化为0。
变量Cdek对应于控制与群组Gk相关联的网络量表12的开关设备15。如果Cdek＝1，则开关设备15闭合(导通)而群组Gk接收电能。如果Cdek＝0，则开关设备15断开(不导通)并且至群组Gk的电能分配中断。
在初始化步骤E0之后，变量i递增。变量i因此被初始化等于1。
针对新的一天的每个当前时刻重复以下描述的步骤：第一当前小时T1从6:00延伸至6:59，第二当前时刻T2从7:00延伸至7:59等。
分配方法包括比较步骤E1。
在位于当前小时Ti内的时间T处，估计当前消耗的能量量Indk(T)。当前消耗的能量量Indk(T)是在时间T已经被群组Gk消耗的能量量(也称为消耗指数)。当前消耗的能量量Indk(T)由网络量表12的测量装置14直接测量。
还估计先前消耗的能量量Indk(Ti-1)。先前消耗的能量量Indk(Ti-1)是在前一小时Ti-1的结束时消耗的能量量。
随后在首先是当前消耗的能量的量Indk(T)与先前消耗的能量的量Indk(Ti-1)之差以及其次是前一小时Ti-1结束时可用的可用(或“可支配”)能量的量Edisp(k,Ti-1)加上针对当前小时Ti分配的能量信用Crk(Ti)之和之间进行比较。
如果Indk(T)-Indk(Ti-1)<Edisp(k,Ti-1)+Crk(Ti)，这意味着发电厂2可向群组Gk提供对于当前小时Ti它需要的电能。
变量Cdek被维持在1(步骤E2)，并且因此电能继续被分配给群组Gk。
时间T随后与对应于当前小时结束的时间作比较(步骤E3)。如果时间T位于当前小时Ti内，即如果T<Ti，则分配方法返回至比较步骤E1。
如果时间T到达当前小时Ti的结束，即如果当前小时终止并且新的小时开始，则执行步骤E4。
在步骤E4期间，变量i递增：
i＝i+1。
使用下式来重新计算可用能量量Edisp(k,Ti)：
Edisp(k,Ti)＝Edisp(k,Ti-1)+Crk(Ti)-Indk(Ti)+Indk(Ti-1)
其中：Edisp(k,Ti)是当前小时Ti结束时可用的能量量，Edisp(k,Ti-1)是前一小时Ti－1结束时可用的能量量，Crk(Ti)是针对当前小时Ti分配的能量信用，Indk(Ti-1)是在前一小时Ti-1结束时消耗的能量量，而Indk(Ti)是当前小时Ti结束时消耗的能量量。
在比较步骤E1期间，如果：
Indk(T)-Indk(Ti-1)≥Edisp(k,Ti-1)+Crk(Ti)
这意味着发电厂2不再能向群组Gk提供针对当前小时Ti它需要的电能。
变量Cdek被设为0(步骤E5)。电能对群组k的分配中断，直到下一小时Ti+1开始。
之后，分配方法继续至步骤E4。
在步骤E4之后，在变量i与24(针对一天的24个小时)之间作出比较(步骤E6)。
只要变量i不大于24，新的一天尚未终止。分配方法返回至比较步骤E1。
如果变量i大于24，则新的一天已经终止。变量i被复位为0(步骤E7)，并且分配方法返回至初始化步骤E0。
应该观察到，当能量信用不完全消耗时，能量信用被延续到下一个小时的开始，并且被添加到分配给下一小时的能量信用。
作为默认，所有群组具有相同的优先级。
有利地，优先级被分配给群组Gk。如果针对高优先级群组的能量信用已经用尽，则低优先级群组的能量信用被分配给高优先级群组。
作为示例，用于管理优先级的机制如下。在分配给群组G1的优先级1、分配给群组G2的优先级2以及分配给G3的优先级3之间作出区分。优先级1高于优先级2，优先级2高于优先级3。
如果在一天期间，分配给优先级1的群组G1的能量信用被用尽，则群组G1恢复群组G2和G3的能量信用。作为示例，此种群组G1包括村庄医务室的电气装置，针对该电气装置，不中断的电力是优先级。
如果在一天期间，分配给优先级2的群组G2的能量信用被用尽，则群组G2恢复优先级3的群组G3的能量信用的50％。
优先级3的群组G3没有优先级。
已知发电厂2可取决于天气状况来供应的能量的量。如果对于新的一天，前几天期间的日照小时数不足以正确地给电池充电，并且如果新的一天没有日照，则总的日常能量的量需要被相应地减少。
参照第一隔离电网需要的可用性水平来承担设计发电厂时执行的最初计算，并且它们考虑针对发电厂所处区域的天气统计。因此，作为示例，对于发电厂的说明可能需要递送一定能量的量E(以千瓦小时(kWh)计)的能力，即使在没有日照达两天的情况下。
无论如何，如果在那些计算期间使用的安全边际很小，例如出于经济原因，则必然将存在比设计发电厂时考虑到的时段更长的没有日照的时段，并且因此将因此可能有电力中断。
因此针对特定历时获得天气预报数据以便估计可在该特定历时上存储的预测能量量，并且提前提出限制以便避免断电直到电池可被再充电。
在此期间发电厂必须能够向群组提供某些总日常能量量E的没有日照的连续天数被写为k。
一般地，1≤k≤5。
可被存储在发电厂的电池中的最大可使用能量量被写为C(以瓦特计)。C对应于电池的总容量的仅一部分，因为要避免深度放电以便保持电池的寿命。典型地，电池的充电状态不应该下降到40％以下。
由此：
C≥k.E。.
根据天气预报数据，m天(其中m>k)上的日照小时数是已知的。因此，估计在接下来的k天上可被存储在电池中的预测能量的量Epk是可能的。
如果Epk<k.E，这意味着在没有日照的k个连续天期间发电厂不能向群组提供总的日常能量量。给定在此期间群组需要被供电的没有日照的某个数量的连续天，预测的能量量Epk因此是不足够的。
因此，在正常供电周期结束时，必然是长历时的停电。
为了避免此种断电，如果预测的能量的量Epk与在此期间群组需要被供电的没有日照的某个天数相比是不足够的，则可用日常能量的量被调整，由此调整总的可用日常能量的量。
对于没有日照的第一天而言，决定分配Epk/k而非E(以瓦特计)。第二天，以及根据新的天气预报，Epk的值被重新调整。
参照图4和5，本发明的分配方法还可在第二隔离电网100中实现。
太阳能发电厂101经由主电源线102连接至非集中式配电柜103。三相电流It以三相电压Vt在主电源线102上流动。
每个非集中式配电柜103连接至多个群组Gk，每个群组Gk包括多个电气装置Ie。
每个非集中式配电柜103具有多个量表105和多个开关设备单元106。每个开关单元106从相应量表105的下游连接。
除了量表105和开关设备106以外，每个非集中式配电柜103包括控制模块107、电源装置、以太网模块108、上游光学接口109和下游光学接口111。
电源装置向非集中式配电柜103供电。电源装置包括不间断电源112和电池113。不间断电源112连接至主电源线102。
每个非集中式配电柜103的控制模块107可接收数据并经由以太网模块108和上游光学接口109将数据传送给坐落于上游的非集中式配电柜103的控制模块107。
每个非集中式配电柜103的控制模块107可接收数据并经由以太网模块108和下游光学接口111将数据传送给坐落于下游的非集中式配电柜103的控制模块107。
发电厂101再次包括电气控制装备。电气控制装备或通过无线电通信装置、或经由利用非集中式配电柜103的上游和下游光学接口109和111的光通信信道来控制非集中式配电柜103的开关设备106。
该分配方法在第二隔离电网100中以与在第一隔离电网1中相同的方式实现，除了在第二网络中，电气控制装备通过与非集中式配电柜103的控制模块107通信来控制开关设备106。
该选项使得通过地理区域的部分减载成为可能，每个地理区域与相应的非集中式配电柜103相关联。
自然，本发明不限于以上描述的实现，但覆盖不背离权利要求所限定的本发明的范围内的任何变形。
在第一隔离电网中，说明通信模块是电力线通信模块。无论如何，电气控制装备和网络量表以某种其它方式通信，例如通过无线电通信装置或者通过光通信信道通信是可能的。所有这些各种通信装置也可在第二隔离电网中使用。
上面提到了群组，每个群组包括多个电气装置。无论如何，每个群组可由与单个量表相关联的单个电气装置构成。在此类情形中，通过将电气装置认为是群组，并将个体量表充当网络量表来继续应用以上整个描述。

Claims (13)

1.一种将从太阳能导出的电能分配给多个群组(Gk)的方法，每个群组包括至少一个电气装置(Ie)，所述方法包括以下步骤：
定义针对每个群组的消耗概况，所述消耗概况由消耗比例(P)组成，每个消耗比例与基准日的不同小时相关联；
对于每个新的一天，定义每个组的可用日常能量的量(Ek)并且在所述消耗概况和所述可用日常能量的量的基础上，向所述群组分配针对所述新的一天的每个小时的能量信用(Crk(Ti))；
在位于当前小时(Ti)内的时间T，估计已经被所述群组消耗的当前消耗能量的量(Indk(T))，并且估计在前一小时结束时消耗的在先消耗能量的量(Indk(Ti-1))；
在所述时间T，估计在前一小时结束时可用的可用能量的量(Edisp(k,Ti-1))；以及
如果所述当前消耗能量的量与所述在先消耗能量的量之差大于或等于所述可用能量的量加上分配给当前小时的能量信用之和，则中断电能对所述群组的分配，直到下一小时开始。
2.如权利要求1所述的分配方法，其特征在于，进一步包括当所述时间T达到所述当前小时(Ti)的结束时，通过使用下式来重新计算所述可用能量量的步骤：
Edisp(k,Ti)＝Edisp(k,Ti-1)+Crk(Ti)-Indk(Ti)+Indk(Ti-1)
其中k表示群组(Gk)，Edisp(k,Ti)是所述当前小时Ti结束时可用的能量的量，Edisp(k,Ti-1)是前一小时Ti－1结束时可用的能量的量，Crk(Ti)是针对所述当前小时Ti分配的能量信用，Indk(Ti-1)是在前一小时Ti-1结束时消耗的能量的量，而Indk(Ti)是所述当前小时Ti结束时消耗的能量的量。
3.如权利要求1所述的分配方法，其特征在于，当能量信用尚未完全用尽时，所述能量信用被延续到下一小时开始。
4.如权利要求1所述的分配方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：将优先级分配给所述群组，并且如果高优先级群组的能量信用被用尽，则将低优先级群组的能量信用分配给所述高优先级群组。
5.如权利要求1所述的分配方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：获取天气预报数据，从中导出可被存储在电池中的预测能量的量，并且如果所预测的能量的量与在此期间所述群组需要被供电的没有日照的若干连续天相比是不足够的，则根据所预测的能量的量来调整所述可用日常能量的量。
6.如权利要求1所述的分配方法，其特征在于，中断所述电能的分配包括断开位于坐落于所述群组(Gk)上游的网络量表(12)中的开关设备(15)。
7.如权利要求1所述的分配方法，其特征在于，中断所述电能的分配包括断开位于非集中式配电柜(103)中的开关设备(106)，每个非集中式配电柜(103)被连接至多个群组并且具有针对每个群组的相应量表和开关设备。
8.如权利要求6所述的分配方法，其特征在于，所述分配方法是在控制所述开关设备(15；106)的电气控制装备(7)中实现的。
9.一种用于太阳能发电厂的电气控制装备，所述电气控制装备包括安排成执行如任何在先权利要求所述的分配方法的通信模块(11)和处理器组件(8)。
10.一种隔离电网(1)，其包括太阳能发电厂(2；101)和多个群组，每个群组有至少一个电气装置，所述太阳能发电厂包括如权利要求9所述的电气控制装备。
11.如权利要求10所述的隔离电网，其特征在于，进一步包括多个非集中式配电柜(103)，每个非集中式配电柜连接至多个群组。
12.一种包括代码指令的计算机程序，所述程序在由微控制器执行时用于实现如权利要求1到8中的任一项所述的分配方法。
13.一种其上记录有计算机程序的计算机可读数据介质，所述计算机程序包括用于实现如权利要求1到8中的任一项所述的分配方法的步骤的程序代码指令。
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