一種家用光伏發電能量管理系統及方法與流程
本發明屬于光伏能源技術領域，具體涉及一種家用光伏發電能量管理系統及方法。
背景技術：
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生的廢氣，環境問題日益凸顯。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，引進可再生能源可以進一步減少化石燃料的使用量，因為電能可以由其他能源提供。自然界中多種可再生能源，如風能、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，從個人用戶的角度來考慮，太陽能是合適的能量來源。通過結合電網的電能以及通過太陽能獲得的電能，可以減少電網能量的消耗以及節省電費。
現在有很多關于家用光伏系統的專利，如公開號為cn104184394a，名稱為“一種家用離網光伏發電系統”的發明專利，但目標多為解決停電時對家電的供電問題，而沒有針對利用太陽能減少電費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”的發明專利，提出了將光伏系統和電網結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，將電源從電網切換到蓄電池，以達到減少電費的經濟效益。通過這種方法雖然可以一定程度地減少電費以及電能消耗，但是不能最大地利用太陽能。并且，上述系統都使用了蓄電池儲存電能，而考慮到蓄電池的成本和壽命，以及對環境的影響，上述系統的經濟效益和環境效益都被限制。因此，有必要提出有效的注重環境和經濟效益的方案，同時，也要考慮用戶的用電習慣。
技術實現要素：
為了解決現在技術中缺少有效利用太陽能以減少電費以及電能消耗的方案的問題，本發明提供了一種家用光伏發電能量管理系統及方法，以在同時考慮電費、耗電量以及用戶不便性的條件下得到配電方案，并且可以根據用戶的不同要求調整控制方法，并通過得到的控制方法達到減少電費和用電量的目標。
本發明的系統所采用的技術方案是：1.一種家用光伏發電能量管理系統，其特征在于：包括光伏電池、逆變器、電網和負載；
所述光伏電池將太陽能轉換為電能；所述逆變器將所述光伏電池產生的不穩定的直流電轉換為電壓恒定的交流電，以向電網或者家用負載供電；
2.根據權利要求1所述的家用光伏發電能量管理系統，其特征在于：所述系統還配置有受控開關和控制模塊，所述逆變器與電網、逆變器與負載、電網與負載之間均設置有受控開關，所述受控開關在所述控制模塊控制下，控制光伏電池的供電對象。
本發明的方法所采用的技術方案是：一種家用光伏發電能量管理方法，其特征在于，包括以下步驟：
步驟1、設定約束條件：
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是逆變器并網端和負載端的效率，p1(t)和p2(t)分別是光伏電池在t時刻通過逆變器向電網以及負載提供的功率，ppv(t)是光伏電池在t時刻的功率；p3(t)是電網在t時刻向負載提供的功率，us是標準市電電壓，imax是允許用戶使用的最大電流；pl(t)是負載在t時刻的總功率；p1(t)p2(t)＝0，p2(t)p3(t)＝0表示逆變器不同時向電網以及負載供電，負載在同一時刻的電能來源是光伏電池或者電網之一；
步驟2、將一天的時間均分為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：
其中：n是控制間隔的個數，ρ(t)是t時刻的電費單價，ρ′是將電賣回電網的單價，δt是控制間隔；
步驟4、定義一天總耗能：
不便性
其中i是負載的序號，
由此定義
其中a是討論的負載總數，γi是編號為i的負載的權重系數；
步驟5、最終得到目標函數：
minf＝δjc與αje與θβ；
其中δ、α和θ是電費、電能消耗和不便性的權重系數，由此建立了一個混合整形非線性規劃問題，通過求解目標函數的最小值得到控制方法。
本發明由于采用分時電價，可以通過調整用電時間來改變電費，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。隨著智能家居系統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家電的工作狀態成為了可能，同時，還可以方便地對各類配電開關進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向家用電器供電；由于用戶的用電線路已經確定，因此分別控制每個家電的電源會大大增加成本，因此，所有家電使用同一電源，即同時由光伏電池供電或者由電網供電。并且，本發明中的系統不使用蓄電池，因此成本得到了降低，并且不對環境造成污染。
同時，為了提高管理方法的實用性，不僅僅考慮如何減少用電量以及電費，而在此基礎上進一步考慮“需求側管理”，讓控制方法適用于有不同需求的用戶，通過平衡電費、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；并且，此系統結構簡單、成本低、環保，更利于發揮其經濟效益以及環境效益。
附圖說明
圖1為本發明實施例的系統結構示意圖；
圖2為本發明實施例的光伏電池提供的功率示意圖；
圖3為本發明實施例的方法中情況1的控制方法；
圖4為本發明實施例的方法中情況2的控制方法；
圖5為本發明實施例的方法中情況3的控制方法；
圖6為本發明實施例的方法中情況4的控制方法；
圖7為本發明實施例的方法中情況5的控制方法；
圖8為本發明實施例的方法中情況6的控制方法。
具體實施方式
為了便于本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發明，并不用于限定本發明。
請見圖1和圖2，本發明提供的一種家用光伏發電能量管理系統，包括：
1)光伏系統。光伏系統包括光伏電池、逆變器以及受控開關。光伏電池將太陽能轉換為電能，并且可以由光照強度、電池板面積和轉換效率得到光伏電池板的供電功率。逆變器采用并網逆變器，可以將光伏電池板產生的不穩定的直流電轉換為電壓恒定的交流電，以向電網或者家用電器供電。
逆變器與電網、逆變器與負載、電網與負載之間均設置有受控開關，受控開關在控制模塊控制下，控制光伏電池的供電對象。
2)電網。取電網的分時電價計算，分為三種電價，分別對應用電高峰、低谷和正常的時間段。這樣，可以通過調整家電的使用時間來改變電費，比如在用電低谷期使用平時用電高峰期使用的家電，這樣電費就會一定程度的降低。
3)負載。一個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，在考慮范圍內的電器分為三類：一是靈活類型的電器，這類電器的工作時間任意，工作時間變化不給用戶帶來不便；二是可變類型的電器，工作時間的改變會給用戶帶來一定的不便，但是用戶可以根據自身要求決定是否接受工作時間的變化帶來的不便；三是固定類型的電器，工作時間固定，用戶不愿意改變電器的使用時間。
本發明提供的一種家用光伏發電能量管理方法，包括以下步驟：
步驟1、設定約束條件：
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時刻通過逆變器向電網以及家電提供的功率；p3(t)是電網在t時刻向家電提供的功率，us是標準市電電壓，imax是允許用戶使用的最大電流；pl(t)是家用電器在t時刻的總功率；ppv(t)是光伏電池板在t時刻的功率。
并且，p1(t)p2(t)＝0，p2(t)p3(t)＝0，即逆變器不同時向電網以及家電供電，家電在同一時刻的電能來源是光伏電池或者電網之一。
步驟2：為了精確地控制，將一天的時間均分為288部分，即控制間隔為5分鐘。為了得到關于電費、電能以及不便性的方法，定義一天的總電費
中國標準市電電壓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控制器來執行控制方法。
取
其中t是一天中的時間，ρ′＝0.7510元/千瓦時，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。按照原計劃用電，計算得電費jc＝12.6368元，耗電je＝17.20千瓦時。
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)盡可能節省電費。通過求解minf＝jc，得到電費jc＝5.3741元，電能消耗je＝12.58千瓦時，與原計劃相比，電費減少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＝je，得到電費jc＝7.4169元，電能消耗je＝10.53千瓦時，與原計劃相比，電費減少38.78％，電能消耗減少41.31％，如附圖4所示。
3)用電計劃不變的情況下盡可能減少電費。通過求解minf＝jc，得到電費為jc＝6.4863元，電能消耗je＝15.10千瓦時，與原計劃相比，電費減少48.67％，電能消耗減少12.21％，如附圖5所示。
4)用電計劃不變的情況下盡可能減少電能消耗。通過求解minf＝je，得到電費jc＝7.6191元，電能消耗je＝11.15千瓦時，與原計劃相比，電費減少39.71％，電能消耗減少35.17％，如附圖6所示。
5)用電計劃在不便性不大于50的情況下盡可能減少電費。通過求解minf＝jc+θβ，得到電費jc＝6.1669元，電能消耗je＝15.00千瓦時，與原計劃相比，電費減少51.20％，電能消耗減少12.79％，如附圖7所示。
6)用電計劃在不便性不大于50的情況下盡可能減少電能消耗。通過求解minf＝je+θβ，得到電費jc＝7.2993元，電能消耗je＝11.00千瓦時，與原計劃相比，電費減少42.24％，電能消耗減少36.05％，如附圖8所示。
本發明介紹了一種家用光伏發電能量管理系統，并且可以結合需求側管理，以達到同時考慮用戶不便性的目標。從配電和用電規劃兩方面提出了控制方法，達到了節省電費或者減少電能消耗的目標。此系統不僅利于保護環境，還有良好的經濟效益，可以同時較大地降低電能消耗量以及電費，因此，對用戶而言是一個好的選擇。并且，控制方法可以根據不同用戶的不同需求而調整，因此，控制方法較為靈活，可以滿足不同需要。最后的結果也證實了控制方法在降低能量消耗以及減少電費方面的有效性。
本發明：
(1)實現了最小化電費和用電量的目標；
(2)考慮用戶的不便性；
(3)通過控制器實現控制作用；
(4)能夠控制各用電器的工作狀態；
(5)能夠控制各配電開關狀態以調整電路中電能流動方向。
應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬于現有技術。
應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，并不能因此而認為是對本發明專利保護范圍的限制，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發明的保護范圍之內，本發明的請求保護范圍應以所附權利要求為準。
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