一种基于户用热电联合供应的能量管理系统及方法
技术领域
本发明涉及新能源综合利用领域，尤其涉及一种基于户用热电联合供应的能量管理系统及方法。
背景技术
电力系统是由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户，为其提供生活所需的电和热。但是在偏远地区，尤其是在牧区，牧民每年都需要从一个牧场远距离迁徙到另外一个牧场，传统的供热方式难以满足其需求。孤网系统能够独立于大电网之外运行，因此，通常采用孤网系统为不能接入电网的边远地区群众和牧民提供生活所需的电和热。
西藏作为国家重要的生态安全屏障，清洁能源的高效开发与利用一直是重大的环保科研问题。近年来，随着太阳能利用技术的逐渐普及和太阳能对环境友好无污染的巨大开发潜力，利用太阳能发电或者供暖已经成为西藏新能源研究的热点。但是，传统的光伏发电系统承受扰动的能力弱，且由于太阳能的能量密度低以及波动性和随机性等特性都增大了孤网系统运行的风险，易导致储能系统和蓄热系统过充、过蓄和过放的问题，从而降低使用寿命，因此，有效的能量管理具有极为重要的意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于户用热电联合供应的能量管理系统及方法，通过在传统的光伏发电系统的基础上加入电热蓄能系统，形成一种能量阶梯利用的能量管理系统，将光伏电池组件的输出平滑分配给储能系统和蓄热系统，避免了储能系统和蓄热系统过充、过蓄和过放的问题，延长使用寿命，使系统更安全、高效、经济和可靠的运行。
第一方面，提供了一种基于户用热电联合供应的能量管理系统，具体包括：
中央控制器；
至少一组光伏电池组件；
用于管理电能的储能系统，包括用于储存电能的储能电池，以及电池管理子系统；
用于管理热能的蓄热系统，包括电热转换装置和蓄热体，所述电热转换装置用于将电能转换为热能，并将转换得到的热能蓄积在所述蓄热体中；
所述光伏电池组件的输出端与所述中央控制器的输入端连接，所述中央控制器的输出端分别连接所述储能电池，以及所述电热转换装置的输入端，所述电热转换装置的输出端连接所述蓄热体，所述中央控制器监测所述光伏电池组件、所述储能电池和所述蓄热体的运行数据，根据监测到的所述运行数据切换所述储能系统和所述蓄热系统的工作模式。
第二方面，提供了一种基于户用热电联合供应的能量管理方法，应用于上述基于户用热电联合供应的能量管理系统，具体包括以下步骤：
步骤一：中央控制器监测所述户用热电联合供应系统的用户负载的实时功率P1，判断所述实时功率P1是否小于用户负载的预设功率阈值Pmax；
步骤二：若P1＜Pmax时，则读取所述户用热电联合供应系统的运行数据，包括光伏电池组件的输出功率Pv、储能电池的剩余容量SOC值、蓄热体输出功率Pq以及蓄热体温度tc；
步骤三：判断储能电池的剩余容量SOC值与储能电池最低放电剩余容量阈值SOCmin之间的大小，若SOC≤SOCmin，则所述中央控制器切换所述储能系统为充电模式，并控制所述储能电池停止向用户负载放电；当SOC＞SOCmin时，所述中央控制器切换所述储能系统为充电模式，并控制所述储能电池为用户负载供电。
本发明申请中，所述基于户用热电联合供应的能量管理系统以中央控制器为核心，对光伏电池组件、储能系统和蓄热系统进行统一集中控制，实时监测光伏电池组件、储能电池和蓄热体的运行数据，根据监测到的运行数据切换储能系统和蓄热系统的工作模式，可避免储能电池和蓄热体过充、过蓄和过放的问题，延长使用寿命，使系统更安全、高效、经济和可靠的运行，同时还能够最大程度的利用太阳能资源。
附图说明
1、图1为本发明实施例提供的一种基于户用热电联合供应的能量管理系统的结构示意图；
2、图2为本发明实施例提供的一种基于户用热电联合供应的能量管理方法的流程示意图。
最佳实施方式
为了使本领域技术人员更清楚的理解本发明所提供的高精度流量标定设备，下面将结合附图对其进行详细的说明。
如图1所示，是本发明提供的一种基于户用热电联合供应的能量管理系统，具体包括：
中央控制器、光伏电池组件、储能系统和蓄热系统，其中光伏电池组件、储能系统和蓄热系统均与中央控制器连接；
具体的，光伏电池组件，至少一组，图1中只是示出了两组为例进行说明，光伏电池组件可采用以单晶硅为基底的硅太阳能电池组成，每一组的光伏电池组件的额定输出功率和输出的电压根据实际的应用场景确定，从而确定组成光伏电池组件的太阳能电池数量和光伏电池组件的阵列。该光伏电池组件用于将太阳光能直接转化为电能，且该光伏电池组件与中央控制器连接，并将转化得到的电能传输给中央控制器。
用于管理电能的储能系统，包括用于储存电能的储能电池，可用常见的铅酸蓄电池，以及电池管理子系统，用于实时监测所述储能电池的剩余容量值SOC，并将监测到的SOC传输给中央控制器，所述中央控制器的输出端与所述电池管理子系统连接，所述电池管理子系统与所述储能电池连接。
用于管理热能的蓄热系统，包括电热转换装置和蓄热体，所述电热转换装置用于将电能转换为热能，具体可采用电流的热效应原理(即电流通过各种导体时，使导体温度升高的一种现象)设计的电热装置，将电能转化为内能；所述电热转换装置将转换得到的热能蓄积在所述蓄热体中，蓄热体主要是用于将电热转换装置产生的热量蓄积储存，目的是为了确保供暖效果的稳定，比如可采用蓄热水箱，是一种以水为储热介质的蓄热设备。所述中央控制器的输出端与所述电热转换装置连接，所述电热转换装置与所述蓄热体连接。
中央控制器监测所述光伏电池组件、所述储能电池和所述蓄热体的运行数据，根据监测到的所述运行数据切换所述储能系统和所述蓄热系统的工作模式，以达到能量管理的目的；具体可通过控制各个电路设置的开关状态，实现控制光伏电池组件传输的电能。
例如，本发明实施例提供的一种基于户用热电联合供应的能量管理系统中，所述中央控制器的输出端还通过DC/DC转换器与直流负载连接，和/或，通过逆变器与交流负载连接，当监测到用户负载的实时功率P1时，则判断所述实时功率P1是否小于用户负载的预设功率阈值Pmax，其中Pmax的值，用户可根据实际的负载需求进行设定。若P1＜Pmax时，则读取所述储能电池的剩余容量SOC值(State ofcharge，即荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0～1，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1时表示电池完全充满。)以及蓄热体温度tc；判断储能电池的剩余容量SOC值与储能电池最低放电剩余容量阈值SOCmin之间的大小，若SOC≤SOCmin，所述中央控制器切换所述储能系统为充电模式，并控制断开所述储能电池的放电开关，以使储能电池停止向用户负载放电；否则，若SOC＞SOCmin，则所述中央控制器控制闭合所述储能电池的放电开关，以便，当光伏电池组件供能不足时，所述储能电池可以为用户负载供电。
在SOC＞SOCmin的情况下，还包括：
判断所述蓄热体温度tc与供暖启动温度t0之间的大小，若tc≤t0，则所述中央控制器切换所述蓄热系统为蓄热模式，同时控制切断所述蓄热体的供热开关，使蓄热体停止向用户供热，否则，若tc＞t0，则所述中央控制器切换所述蓄热系统为蓄热模式，并同时控制闭合所述蓄热体的供热开关，使所述蓄热体向用户供热。且在tc＞t0的情况下，还包括：
进一步判断所述储能电池SOC与所述蓄热体启动阀值SOCX之间的大小，若SOC≤SOCx，则所述中央控制器切换所述储能系统为充电模式，并控制闭合所述储能电池的放电开关，以便，当光伏电池组件供能不足时，所述储能电池可以为用户负载供电，同时切换所述蓄热系统为供热模式，以及控制所述蓄热体停止蓄热；
否则若SOC＞SOCx，则所述中央控制器控制切换所述储能系统为充电模式，以及控制闭合所述储能电池的放电开关，以便，当光伏电池组件供能不足时，所述储能电池可以为用户负载供电，同时切换所述蓄热系统为蓄热模式。
在SOC＞SOCx的情况下，进一步判断蓄热体温度tc和蓄热体最高温度阈值tmax之间的大小，若tc≥tmax，则中央控制器控制切断蓄热体的蓄热开关，使蓄热体停止蓄热，同时切换蓄热系统为供热模式，判断储能电池SOC与储能电池最大充电剩余容量阈值SOCmax之间的大小，若SOC≥SOCmax，则所述中央控制器控制所述储能电池停止充电，以及控制闭合所述储能电池的放电开关，以便，当光伏电池组件供能不足时，所述储能电池可以为用户负载供电，若SOC＜SOCmax，则返回执行步骤“判断所述蓄热体温度tc与供暖启动温度t0之间的大小”；
当tc＜tmax时，判断储能电池SOC与储能电池最大充电剩余容量阈值SOCmax之间的大小，若SOC≥SOCmax，则所述中央控制器控制所述储能电池停止充电，以及控制闭合所述储能电池的放电开关，以便，当光伏电池组件供能不足时，所述储能电池可以为用户负载供电，若SOC＜SOCmax，则返回执行步骤“判断所述蓄热体温度tc与供暖启动温度t0之间的大小”。
综上，本发明实施例以中央控制器为核心，对光伏电池组件、储能系统和蓄热系统进行统一集中控制，根据储能电池SOC和实际用户负载功率，控制切换储能系统的工作模式，根据蓄热体温度和实际用户热负荷，控制切换蓄热系统的工作模式，避免了储能电池和蓄热体过充、过蓄和过放的问题，延长使用寿命，使系统更安全、高效、经济和可靠的运行，同时还能够最大程度的利用太阳能资源。
优选的，在上述实施例的基础上，本发明提供的基于户用热电联合供应的能量管理系统还包括散热末端，所述散热末端与所述蓄热体连接，用于为用户供热，包括循环泵、换热器和散热装置，其中散热装置包括以下至少一种：风机盘管、暖气片和地暖。
优选的，在上述实施例的基础上，本发明提供的基于户用热电联合供应的能量管理系统中，所述储能系统包括的储能电池和电池管理子系统，以及所述蓄热系统包括的电热转换装置和蓄热体，均采用模块化设计，减小了单个装置重量，便于系统的拆装和运输，达到安全、经济、高效、可靠的目的。
如图2所示，为本发明实施例提供的一种基于户用热电联合供应的能量管理方法的流程示意图，该方法应用于上述任一实施例中的一种基于户用热电联合供应的能量管理系统，具体包括以下步骤：
具体包括以下几个步骤：
S1：系统开机自检，确定电路开关、管道阀门、快速连接点、光伏电池组件、储能系统、逆变器、蓄热系统、散热末端是否已按照要求复位，若否，则执行步骤S2，否则执行步骤S3；
S2：检查系统各节点是否按要求连接，对系统进行初始化；
S3：设定约束条件，包括储能电池最低放电剩余容量阀值SOCmin，蓄热体启动阀值SOCX，储能电池最大充电剩余容量阀值SOCmax，蓄热体最高温度阈值tmax，蓄热体供暖启动温度t0，预设用户电负载的最大功率阀值Pmax；
S4：中央控制器监测所述户用热电联合供应系统的用户负载的实时功率P1，判断所述实时功率P1与用户负载的预设功率最大阈值Pmax之间的大小，若P1＜Pmax，则执行步骤S5；否则若P1≥Pmax，中央控制器控制切断储能电池的放电开关，使储能电池停止向用户负载供电，用户负载包括直流负载和/或交流负载，同时系统发出警报，用户启动备用电源；
S5：读取储能电池的剩余容量SOC值以及蓄热体温度tc；
S6：判断SOC值与储能电池最低放电阀值SOCmin之间的大小，若SOC≤SOCmin，则所述中央控制器切换所述储能系统为充电模式，并控制断开所述储能电池的放电开关，使储能电池停止向用户负载放电，即此时，由光伏电池组件直接为用户负载进行供电，以及为储能电池充电，并可由系统发出相应的警报，提醒用户启动备用电源；
当SOC＞SOCmin时，所述中央控制器控制闭合所述储能电池的放电开关，以便，当光伏电池组件供能不足时，所述储能电池可以为用户负载供电；
S7：在SOC＞SOCmin的情况下，继续判断蓄热体温度tc和蓄热体供暖启动温度t0之间的大小，若tc≤t0，则所述中央控制器切换所述蓄热系统为蓄热模式，并控制断开蓄热体的供热开关，使蓄热体停止向用户供热，即此时，由光伏电池组件为蓄热系统供电，使电热转换装置转换产生的热能为蓄热体蓄热；
若tc＞t0，则所述中央控制器控制闭合蓄热体的供热开关，使所述蓄热体向用户供热；
S8：当tc＞t0时，判断储能电池SOC与蓄热体启动阀值SOCX之间的大小，若SOC≤SOCx，则所述中央控制器控制切换所述储能系统为充电模式，并控制闭合所述储能电池的放电开关，以便，当光伏电池组件供能不足时，所述储能电池可以为用户负载供电，同时切换所述蓄热系统为供热模式，以及控制所述蓄热体停止蓄热；
若SOC＞SOCx，所述中央控制器控制切换所述储能系统为充电模式，以及控制闭合所述储能电池的放电开关，以便，当光伏电池组件供能不足时，所述储能电池可以为用户负载供电，同时切换所述蓄热系统为蓄热模式；
S9：当SOC＞SOCx时，继续判断蓄热体温度tc和蓄热体最高温度阈值tmax之间的大小，若tc≥tmax，则中央控制器控制切断蓄热体的蓄热开关，使蓄热体停止蓄热，同时切换蓄热系统为供热模式，转至步骤S10；若tc＜tmax，转至步骤S10；
S10：判断储能电池SOC与储能电池最大充电剩余容量阈值SOCmax之间的大小，若SOC≥SOCmax，则所述中央控制器控制所述储能电池停止充电，以及控制闭合所述储能电池的放电开关，以便，当光伏电池组件供能不足时，所述储能电池可以为用户负载供电；
否则，若SOC＜SOCmax，则返回执行步骤S7。
需要说明的是，可根据有功功率判定储能电池的充/放电状态，有功功率为正，储能电池处于放电状态，有功功率为负，储能电池处于充电状态；根据热负荷功率判定蓄热体蓄/放热状态，热负荷功率为正，蓄热体处于放热状态，热负荷功率为负，蓄热体处于蓄热状态。
上述实施例中充电模式、蓄热模式、同时充电及蓄热模式和供热模式，其中，充电模式、蓄热模式、同时充电及蓄热模式不能同时启动；供热模式可以与充电模式、蓄热模式、同时充电及蓄热模式中任意模式可同时启动和停止。
本发明实施例以中央控制器为核心，对光伏电池组件、储能系统和蓄热系统进行统一集中控制，根据储能电池SOC和实际用户负载功率，控制切换储能系统的工作模式，根据蓄热体温度和实际用户热负荷，控制切换蓄热系统的工作模式，避免了储能电池和蓄热体过充、过蓄和过放的问题，延长使用寿命，使系统更安全、高效、经济和可靠的运行，同时还能够最大程度的利用太阳能资源。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
