CN112491045A - 一种智能户用光储充能源互联***及其能效管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能户用光储充能源互联***及其能效管理方法，所述***包括光伏发电单元、蓄电池储能单元、电动汽车充放电单元、双向AC/DC变换单元、多端口DC/DC变换单元、双向计费单元、交流负载、直流负载、***能量管理单元以及移动端监测单元；本发明的多种负荷类型的交直流混联架构及智能能量综合协调方法，可有效促进户用光储充终端的规模化应用。

Description

一种智能户用光储充能源互联***及其能效管理方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种智能户用光储充能源互联***及其能效管理方法。
背景技术
现有技术中，光储充能源互联***是将光伏发电、储能、充电设施及能量管理***形成了一个智能化微电网，该智能化微电网根据实际运行需求与公共电网智能互动，可实现并网、离网两种不同运行模式。
由于家庭用户数目庞大，得益于光伏发电技术、电力电子变流技术、大数据技术以及物联网技术等的蓬勃发展，使得家庭用户的用电形式从单纯依靠大电网的消耗电能，转变为以家庭用户为单位的独立可持续供用电***。这不仅能满足家庭用户的个性化用电需求，同时还使得家庭用户成为参与电网削峰填谷，增强电网应变能力的一份子成为可能。
近年来，户用电动汽车数量均呈现逐年大幅攀升趋势，其潮流的不可控性和复杂性对供电的稳定性和质量提出了更高的要求，同时也给配电网智能控制带来了机遇。
针对户用电动汽车柔性接入的电网问题，提出以家庭为单位的户用智能光储充互联***集成方案，对户用光伏发电单元、蓄电池储能单元、电动汽车充电单元以及多类型负荷进行能效管理，降低用户用电成本、提高该集成方案经济性等尚缺乏应用先例和成熟方案，上述多个问题亟待解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种智能户用光储充能源互联***及其能效管理方法，通过建立户用光储充能源互联***的成本函数模型，提出了能量智能综合协调方法，可提高户用光储充互联***的经济性。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种智能户用光储充能源互联***，包括光伏发电单元、蓄电池储能单元、电动汽车充放电单元、双向AC/DC变换单元、多端口DC/DC变换单元、双向计费单元、交流负载、直流负载、***能量管理单元以及移动端监测单元；
所述多端口DC/DC单元同时连接双向AC/DC单元的直流侧、电动汽车充放电单元、光伏发电单元、蓄电池储能单元以及直流负载，实现直流侧多电压变换与能量交互；
所述双向AC/DC单元具备整流和逆变功能，其交流侧与380V配网相连，直流侧与多端口DC/DC单元相连；
所述直流负载由多端口DC/DC单元进行供电；
所述交流负载连入双向AC/DC单元的交流母线，交流负载通过断路器K1接入380V配网；
所述双向计费单元采集断路器K1的并网点处电压、电流信息；
所述***能量管理单元采集光伏发电单元、蓄电池储能单元、电动汽车充放电单元、双向AC/DC变换单元、多端口DC/DC变换单元、双向计费单元、交流负载以及直流负载的发电、用电信息，对***能量进行就地协调控制；
所述移动端监测单元与***能量管理单元进行通信交互，实现***能量远程监测控制。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的光伏发电单元包括光伏电池组件和DC/DC变换器，通过DC/DC变换器接入多端口DC/DC单元；
所述蓄电池储能单元包括蓄电池组件和双向DC/DC变换器，通过双向DC/DC变换器接入多端口DC/DC单元；
所述电动汽车充放电单元包括电动汽车和双向DC/DC变换器，通过双向DC/DC变换器接入多端口DC/DC单元。
上述的多端口DC/DC变换单元适配多个电压等级接口，根据应用需求进行调整；
蓄电池储能单元与多端口DC/DC变换单元进行能量双向交互；
电动汽车充放电单元与多端口DC/DC变换单元进行能量双向交互；
光伏发电单元的能量流向多端口DC/DC变换单元，供电动汽车充电、蓄电池充电以及直流负载消纳。
上述的***能量管理单元基于Zigbee的通信协议采集光伏发电单元、蓄电池储能单元、电动汽车充放电单元、双向AC/DC变换单元、多端口DC/DC变换单元、双向计费单元、交流负载以及直流负载的发电、用电信息；
***能量管理单元与光伏发电单元通信，采集光伏发电单元的实时发电功率与光伏组件的工作状态；
***能量管理单元与蓄电池储能单元通信，采集蓄电池的剩余容量信息；
***能量管理单元与电动汽车充放电单元通信，采集电动汽车的剩余容量信息；
***能量管理单元与交流负载、直流负载通信，采集负载的用电信息；
***能量管理单元与双向计费单元通信，采集双向计费单元的用电费用与售电费用信息；
***能量管理单元与移动端监测单元采用4G/5G通信技术进行信息交互。
上述的***能量管理单元的控制目标是用户售电收益最大，用电成本最小；
其中用户售电收益表达式为：
C＝k1k2[(PPV-PEV-Pload)Δt]m-k3(Pqe-Pess)G峰-k4PqeG谷
Figure BDA0002793433210000031
Figure BDA0002793433210000032
Figure BDA0002793433210000033
Figure BDA0002793433210000034
式中:C为户用光储充***供电***的总收益；PPV为光伏发电单元发出的功率；
PEV电动汽车充放电单元的功率；Pess蓄电池储能单元的功率；m为余电上网的电价；G为电价；G峰为峰值电价，G谷为谷值电价；Δt为户用光储向电网售电的时间段；Pload为***中的所有负载消耗的功率；Pqe为功率缺额；k1,k2,k3,k4均为系数。
一种智能户用光储充能源互联***的能效管理方法，包括如下步骤：
Step1：光伏发电单元产生电能，供给电动汽车充放电单元、交流负载和直流负载消耗；
如果发电功率过剩，则判断蓄电池储能单元是否充满，若蓄电池储能单元未充满，则将过剩功率供给蓄电池储能单元充电储存；若蓄电池储能单元已充满，则将过剩功率上传至公共电网；
如果光伏发电单元的发电功率不足，则计算出交流负载和直流负载功率缺额，并判断当前时间段为峰值电价时间段或谷值电价时间段，若是峰值电价时间段，则执行步骤step2；若为谷值电价时间段，则执行步骤step3；
Step2：判断蓄电池储能单元的剩余容量是否低于最低放电深度，若是，则执行Step3；若否，则启用蓄电池储能单元放电；
Step3：将公共电网接入户用光储充能源互联***中，以补偿电动汽车充放电单元、交流负载和直流负载的缺额功率，并同时让公共电网向蓄电池储能单元进行充电；
Step4：如果发生紧急状况，则判断电动汽车充放电单元的功率是否大于交流负载和直流负载的功率缺额，若是，则将电动汽车充放电单元的功率供给交流负载和直流负载消耗。
本发明具有以下有益效果：
通过交直流混联架构，实现光伏发电单元、蓄电池储能单元、电动汽车充电单元以及多类型负荷的柔性、灵活接入；
针对用户用电成本最低，售电收益最高的目标，所提出的成本函数与能量协调控制方法可有效智能户用光储充能源互联***的经济性。
附图说明
图1是智能户用光储充能源互联***结构示意图；
图2是智能户用光储充能源互联***的能效管理流程示意图；
图3是智能户用光储充能源互联***能量通信方案示意图；
图4是适用于智能户用光储充能源互联***中的单向DC/DC的拓扑结构示意图；
图5是适用于智能户用光储充能源互联***中的多端口DC/DC的拓扑结构示意图；
图6是适用于智能户用光储充能源互联***中的双向AC/DC的拓扑结构示意图；
图7是适用于智能户用光储充能源互联***中的双向DC/DC的拓扑结构示意图。
其中，附图标记为：1-光伏发电单元、2-蓄电池储能单元、3-电动汽车充放电单元、4-双向AC/DC变换单元、5-多端口DC/DC变换单元、6-双向计费单元、7-交流负载、8-直流负载、9-***能量管理单元、10-移动端监测单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示，一种智能户用光储充能源互联***，包括光伏发电单元1、蓄电池储能单元2、电动汽车充放电单元3、双向AC/DC变换单元4、多端口DC/DC变换单元5、双向计费单元6、交流负载7、直流负载8、***能量管理单元9以及移动端监测单元10；
所述一种智能户用光储能源互联***通过断路器K1接入380V配网；
所述多端口DC/DC单元5同时连接双向AC/DC单元4的直流侧、电动汽车充放电单元3、光伏发电单元1、蓄电池储能单元2以及直流负载8，实现直流侧多电压变换与能量交互；1适用于智能户用光储充能源互联***的多端口DC/DC单元拓扑结构示意图如图5所示。
所述双向AC/DC单元4具备整流和逆变功能，其交流侧与380V配网相连，直流侧与多端口DC/DC单元5相连；适用于智能户用光储充能源互联***的双向AC/DC单元拓扑结构示意图如图6所示。
如图4所示，所述光伏发电单元1包括光伏电池组件和DC/DC变换器，通过DC/DC变换器接入多端口DC/DC单元5；
所述蓄电池储能单元2包括蓄电池组件和双向DC/DC变换器，通过双向DC/DC变换器接入多端口DC/DC单元5；
如图7所示，所述电动汽车充放电单元3包括电动汽车和双向DC/DC变换器，通过双向DC/DC变换器接入多端口DC/DC单元5。
所述直流负载8接入多端口DC/DC单元5，由多端口DC/DC单元5进行供电；
所述交流负载7连入双向AC/DC单元4的交流母线，交流负载7通过断路器K1接入380V配网；
所述双向计费单元6采集断路器K1的并网点处电压、电流信息；
所述***能量管理单元9采集光伏发电单元1、蓄电池储能单元2、电动汽车充放电单元3、双向AC/DC变换单元4、多端口DC/DC变换单元5、双向计费单元6、交流负载7以及直流负载8的发电、用电信息，对***能量进行就地协调控制；
所述移动端监测单元10与***能量管理单元9进行通信交互，实现***能量远程监测控制。
采用双向AC/DC单元4与多端口DC/DC变换单元5构成交直流互联架构，便于光伏发电单元1、蓄电池储能单元2、电动汽车充放电单元3以及多类型负荷以更加灵活、柔性的方式接入光储充互联***。
实施例中，所述的多端口DC/DC变换单元5适配多个电压等级接口，根据应用需求进行调整；
蓄电池储能单元2与多端口DC/DC变换单元5进行能量双向交互；
电动汽车充放电单元3与多端口DC/DC变换单元5进行能量双向交互；
光伏发电单元1的能量流向多端口DC/DC变换单元5，供电动汽车充电、蓄电池充电以及直流负载8消纳。
如图3所示，实施例中，***能量管理单元9基于Zigbee的通信协议采集光伏发电单元1、蓄电池储能单元2、电动汽车充放电单元3、双向AC/DC变换单元4、多端口DC/DC变换单元5、双向计费单元6、交流负载7以及直流负载8的发电、用电信息；
***能量管理单元9与光伏发电单元1通信，采集光伏发电单元的实时发电功率与光伏组件的工作状态；
***能量管理单元9与蓄电池储能单元2通信，采集蓄电池的剩余容量信息；
***能量管理单元9与电动汽车充放电单元3通信，采集电动汽车的剩余容量信息；
***能量管理单元9与交流负载7、直流负载8通信，采集负载的用电信息；
***能量管理单元9与双向计费单元6通信，采集双向计费单元6的用电费用与售电费用信息；
***能量管理单元9与移动端监测单元10采用4G/5G通信技术进行信息交互。
实施例中，***能量管理单元9的控制目标是用户售电收益最大，用电成本最小；
其中用户售电收益表达式为：
C＝k1k2[(PPV-PEV-Pload)Δt]m-k3(Pqe-Pess)G峰-k4PqeG谷
Figure BDA0002793433210000061
Figure BDA0002793433210000062
Figure BDA0002793433210000063
Figure BDA0002793433210000064
式中:C为户用光储充***供电***的总收益；PPV为光伏发电单元1发出的功率；
PEV电动汽车充放电单元3的功率；Pess蓄电池储能单元2的功率；m为余电上网的电价；G为电价；G峰为峰值电价，G谷为谷值电价；Δt为户用光储向电网售电的时间段；Pload为***中的所有负载消耗的功率；Pqe为功率缺额；k1,k2,k3,k4均为系数。
如图2所示，一种智能户用光储充能源互联***的能效管理方法，包括如下步骤：
Step1：光伏发电单元1产生电能，供给电动汽车充放电单元3、交流负载7和直流负载8消耗；
如果发电功率过剩，则判断蓄电池储能单元2是否充满，若蓄电池储能单元2未充满，则将过剩功率供给蓄电池储能单元2充电储存；若蓄电池储能单元2已充满，则将过剩功率上传至公共电网。
如果光伏发电单元1的发电功率不足，则计算出交流负载7和直流负载8功率缺额，并判断当前时间段为峰值电价时间段或谷值电价时间段，若是峰值电价时间段，则执行步骤step2；若为谷值电价时间段，则执行步骤step3；
Step2：判断蓄电池储能单元2的剩余容量是否低于最低放电深度，若是，则执行Step3；若否，则启用蓄电池储能单元2放电；
Step3：将公共电网接入户用光储充能源互联***中，以补偿电动汽车充放电单元3、交流负载7和直流负载8的缺额功率，并同时让公共电网向蓄电池储能单元2进行充电；
Step4：如果发生紧急状况，则判断电动汽车充放电单元3的功率是否大于交流负载7和直流负载8的功率缺额，若是，则将电动汽车充放电单元3的功率供给交流负载7和直流负载8消耗。所述紧急状况包括电网发生停电故障、断路器K1发生故障等。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种智能户用光储充能源互联***，其特征在于，包括光伏发电单元(1)、蓄电池储能单元(2)、电动汽车充放电单元(3)、双向AC/DC变换单元(4)、多端口DC/DC变换单元(5)、双向计费单元(6)、交流负载(7)、直流负载(8)、***能量管理单元(9)以及移动端监测单元(10)；
所述多端口DC/DC单元(5)同时连接双向AC/DC单元(4)的直流侧、电动汽车充放电单元(3)、光伏发电单元(1)、蓄电池储能单元(2)以及直流负载(8)，实现直流侧多电压变换与能量交互；
所述双向AC/DC单元(4)具备整流和逆变功能，其交流侧与380V配网相连，直流侧与多端口DC/DC单元(5)相连；
所述直流负载(8)由多端口DC/DC单元(5)进行供电；
所述交流负载(7)连入双向AC/DC单元(4)的交流母线，交流负载(7)通过断路器K1接入380V配网；
所述双向计费单元(6)采集断路器K1的并网点处电压、电流信息；
所述***能量管理单元(9)采集光伏发电单元(1)、蓄电池储能单元(2)、电动汽车充放电单元(3)、双向AC/DC变换单元(4)、多端口DC/DC变换单元(5)、双向计费单元(6)、交流负载(7)以及直流负载(8)的发电、用电信息，对***能量进行就地协调控制；
所述移动端监测单元(10)与***能量管理单元(9)进行通信交互，实现***能量远程监测控制。
2.根据权利要求1所述的一种智能户用光储充能源互联***，其特征在于，所述光伏发电单元(1)包括光伏电池组件和DC/DC变换器，通过DC/DC变换器接入多端口DC/DC单元(5)；
所述蓄电池储能单元(2)包括蓄电池组件和双向DC/DC变换器，通过双向DC/DC变换器接入多端口DC/DC单元(5)；
所述电动汽车充放电单元(3)包括电动汽车和双向DC/DC变换器，通过双向DC/DC变换器接入多端口DC/DC单元(5)。
3.根据权利要求1所述的一种智能户用光储充能源互联***，其特征在于，所述的多端口DC/DC变换单元(5)适配多个电压等级接口，根据应用需求进行调整；
蓄电池储能单元(2)与多端口DC/DC变换单元(5)进行能量双向交互；
电动汽车充放电单元(3)与多端口DC/DC变换单元(5)进行能量双向交互；
光伏发电单元(1)的能量流向多端口DC/DC变换单元(5)，供电动汽车充电、蓄电池充电以及直流负载(8)消纳。
4.根据权利要求1所述的一种智能户用光储充能源互联***，其特征在于，***能量管理单元(9)基于Zigbee的通信协议采集光伏发电单元(1)、蓄电池储能单元(2)、电动汽车充放电单元(3)、双向AC/DC变换单元(4)、多端口DC/DC变换单元(5)、双向计费单元(6)、交流负载(7)以及直流负载(8)的发电、用电信息；
***能量管理单元(9)与光伏发电单元(1)通信，采集光伏发电单元的实时发电功率与光伏组件的工作状态；
***能量管理单元(9)与蓄电池储能单元(2)通信，采集蓄电池的剩余容量信息；
***能量管理单元(9)与电动汽车充放电单元(3)通信，采集电动汽车的剩余容量信息；
***能量管理单元(9)与交流负载(7)、直流负载(8)通信，采集负载的用电信息；
***能量管理单元(9)与双向计费单元(6)通信，采集双向计费单元(6)的用电费用与售电费用信息；
***能量管理单元(9)与移动端监测单元(10)采用4G/5G通信技术进行信息交互。
5.根据权利要求1所述的一种智能户用光储充能源互联***，其特征在于，***能量管理单元(9)的控制目标是用户售电收益最大，用电成本最小；
其中用户售电收益表达式为：
C＝k1k2[(PPV-PEV-Pload)Δt]m-k3(Pqe-Pess)G峰-k4PqeG谷
Figure FDA0002793433200000021
Figure FDA0002793433200000022
Figure FDA0002793433200000023
Figure FDA0002793433200000024
式中:C为户用光储充***供电***的总收益；PPV为光伏发电单元(1)发出的功率；
PEV电动汽车充放电单元(3)的功率；Pess蓄电池储能单元(2)的功率；m为余电上网的电价；G为电价；G峰为峰值电价，G谷为谷值电价；Δt为户用光储向电网售电的时间段；Pload为***中的所有负载消耗的功率；Pqe为功率缺额；k1,k2,k3,k4均为系数。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种智能户用光储充能源互联***的能效管理方法，其特征在于，包括如下步骤：
Step1：光伏发电单元(1)产生电能，供给电动汽车充放电单元(3)、交流负载(7)和直流负载(8)消耗；
如果发电功率过剩，则判断蓄电池储能单元(2)是否充满，若蓄电池储能单元(2)未充满，则将过剩功率供给蓄电池储能单元(2)充电储存；若蓄电池储能单元(2)已充满，则将过剩功率上传至公共电网；
如果光伏发电单元(1)的发电功率不足，则计算出交流负载(7)和直流负载(8)功率缺额，并判断当前时间段为峰值电价时间段或谷值电价时间段，若是峰值电价时间段，则执行步骤step2；若为谷值电价时间段，则执行步骤step3；
Step2：判断蓄电池储能单元(2)的剩余容量是否低于最低放电深度，若是，则执行Step3；若否，则启用蓄电池储能单元(2)放电；
Step3：将公共电网接入户用光储充能源互联***中，以补偿电动汽车充放电单元(3)、交流负载(7)和直流负载(8)的缺额功率，并同时让公共电网向蓄电池储能单元(2)进行充电；
Step4：如果发生紧急状况，则判断电动汽车充放电单元(3)的功率是否大于交流负载(7)和直流负载(8)的功率缺额，若是，则将电动汽车充放电单元(3)的功率供给交流负载(7)和直流负载(8)消耗。
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