一種適用於家庭微電網的智能開關控制方法與流程
2023-10-06 10:59:29 2
本發明涉及一種智能開關控制方法。特別是涉及一種適用於家庭微電網的智能開關控制方法。
背景技術：
隨著人們對生活水平質量要求日益提高以及新能源發電技術的日益普及，家庭微電網已成為現代電力中的一個重要單元。所謂微電網是指由分布式發電、負荷、儲能裝置及控制裝置構成的一個單一可控的獨立發電系統。家庭微電網則是以居民用戶住宅為對象，光伏發電、風力發電以及儲能裝置等清潔能源與智能家居等用電設備構建微電網系統。
隨著人們對生活水平質量要求日益提高以及新能源發電技術的日益普及，家庭微電網已成為現代電力中的一個重要單元。所謂微電網是指由分布式發電、負荷、儲能裝置及控制裝置構成的一個單一可控的獨立發電系統。家庭微電網則是以居民用戶住宅為對象，光伏發電、風力發電以及儲能裝置等清潔能源與智能家居等用電設備構建微電網系統。
通常家庭微電網用戶對電壓、頻率等電氣量的要求較低，主要的用電問題集中於供電可靠性、電價信息與電費控制、用電信息即時查詢、用電情況分析結果反饋、故障排除、與電網業務系統平臺的雙向互動等。對於部分含有分布式發電設備的用戶來說，其用電訴求還包括分布式發電設備基本電氣數據與相關信息，如功率、總發電量、上網電價、設備維護、故障排除等。
現有的家庭微電網系統構建過程中套用了大型工商業微電網模式，光伏發電、風力發電等新能源設備採用單獨的接入模式，同時配置了複雜的微電網測控保護、模式控制、能量管理系統，儘管微電網併網運行效果良好，但微電網系統的工程量較大、造價較高，不符合家庭微電網實際情況。而傳統的家庭開關同時，傳統的微電網構建方法在數據傳輸上存在局限性，不能滿足家庭用戶對用電設備狀態的即時查詢與控制管理要求。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠保證市電正常供電和事故停電時家庭微電網的有效隔離的適用於家庭微電網的智能開關控制方法。
本發明所採用的技術方案是：一種適用於家庭微電網的智能開關控制方法，包括如下步驟：
1)總出線開關處實時檢測市電的電壓Us及電流Is，分支開關處實時檢測各支路的電壓U1，U2…Un及各支路的電流I1，I2…In；
2)將步驟1)中得到的電壓電流數據傳輸到運算模塊中，運算模塊計算總出線有功功率Ps、無功功率Qs及各支路的有功功率P1，P2…Pn、無功功率Q1，Q2…Qn，並對當前電網狀態進行分析；
3)運算模塊通過檢測市電電壓Us判斷電網狀態是否正常，來控制總出線開關的分合，其中總出線開關閉合時為併網模式，總出線斷開時為離網模式；通過對各支路有功功率P1，P2…Pn的分析，形成併網模式下各分支開關分合方式或離網模式下各分支開關分合方式；
4)待各開關動作完成後，返回步驟1)。
在進行步驟2)的同時，運算模塊經通信模塊將開關的實時狀態，通過無線網絡送入移動終端互動，幫助用戶完成對家庭微電網的即時查詢與控制管理；具體是通過無線網絡將各支路採集的數據以及運算控制模塊的用電能效分析結果上傳至移動終端，使用戶直接的掌握家庭用電狀態；同時用戶通過移動終端對家庭用電設備進行人工管理，根據個人需求及時關斷或閉合對應支路的開關；
步驟2)所述的對當前電網狀態進行分析，包括：
(1)對電壓和電流信號進行離散化處理，電壓和電流離散化公式為：
U ( k ) = Σ n = 0 N - 1 u ( n ) W N k n = Σ n = 0 N - 1 { Re W N k n u ( n ) + j Im W N k n u ( n ) } ]]>
式中u(n)是為在傅立葉變換周期內以採樣頻率對實測的電壓離散化得到的一組序列值，可代表總出線開關處實時檢測市電的電壓Us或分支開關處實時檢測各支路的電壓U1，U2…Un在各採樣內的幅值，N為傅立葉變換的周期，U(k)為對u(n)進行傅立葉變換值，為以n為周期的復指數序列，其中為該序列實部，為該序列虛部。
I ( k ) = Σ n = 0 N - 1 i ( n ) W N k n = Σ n = 0 N - 1 { Re W N k n i ( n ) + j Im W N k n i ( n ) } ]]>
式中i(n)是為在傅立葉變換周期內以採樣頻率對實測的電壓離散化得到的一組序列值，可代表總出線開關處實時檢測市電的電壓Is或分支開關處實時檢測各支路的電壓I1，I2…In在各採樣內的幅值，N為傅立葉變換的周期，I(k)為對i(n)進行傅立葉變換值，為以n為周期的復指數序列，其中為該序列實部，為該序列虛部。
(2)設定離散傅立葉變換的周期和迭代時間，分別計算N點不同頻率下的有功功率和無功功率，有功功率和無功功率計算公式為：
式中P(k)為有功功率值，Q(k)為無功功率值，為電壓相角，ψi(k)為電流相角；
(3)計算功率誤差，從而精確得出家庭微電網各電器支路的發、用電量，用於能效分析及運行控制，功率誤差計算公式為：
式中err為功率計算誤差，式中下表為k＝0，1，2，3時的電壓、電流、相角、功率等計算值。
步驟3)所述的運算模塊通過檢測市電電壓Us判斷電網狀態是否正常，來控制總出線開關的分合，包括：
(1)判斷市電電壓是否正常，根據我國國家標準220V電壓波動範圍為-7％～+10％，因此，當204.6≤Us≤242V時，繼續下步判斷，否則斷開總出線開關；
(3)判斷市電頻率是否正常，根據我國國家標準50Hz頻率波動範圍為-0.5～+0.5Hz，因此，當49.5≤fs≤50.5Hz時，繼續下步判斷，否則斷開總出線開關；
(4)判斷市電相角是否正常，根據我國國家標準同期併網偏差範圍為20°，因此，當-20°≤θs≤20°時，認為電網正常，閉合併網開關，否則斷開總出線開關；
(5)根據總出線開關狀態，當總出線開關斷開時形成開關狀態0，對應離網狀態；當總出線開關閉合時形成開關狀1，對應併網狀態；
(6)保持開關狀態，返回步驟1)。
步驟3)所述的併網模式下各分支開關分合方式包括：
首先定義各支路開關對應的負荷類型，即將總體控制流程中支路的有功功率P1，P2…Pn，對應為光伏發電功率Ppv，儲能支路功率Pbat，所帶電器設備負荷；
各支路負荷根據類型分為三類不可轉移負荷Pbz、可轉移負荷Pkz、其他負荷Pqt；
併網模式下各分支開關分合方式具體包括：
(1)閉合光伏支路開關，利用步驟2)中的有功功率計算公式，計算光伏發電功率Ppv；
(2)閉合全部不可轉移負荷支路開關，利用步驟2)中的有功功率計算公式，計算不可轉移負荷Pbz；
(3)判斷光伏發電功率是否滿足當前負荷需求，當Ppv≥Pbz時，表示光伏發電充足，此時再次判斷是否能夠依次閉合可轉移負荷，進入下一步；否則閉合儲能支路，通過電池放電，滿足功率差額；
(4)依次閉合可轉移負荷支路開關，利用步驟2)中的有功功率計算公式，計算可轉移負荷Pkz；
(5)判斷光伏發電功率是否滿足當前負荷需求，當Ppv≥Pbz+Pkz時，表示光伏發電充足，此時再次判斷是否能夠依次閉合其他負荷，進入下一步；否則閉合儲能支路，通過電池放電，滿足功率差額；
(6)判斷家庭內是否還有其他負荷支路，當存在時依次閉合其他負荷支路開關，計算可轉移負荷Pqt，否則其他負荷Pqt＝0；
(7)判斷光伏發電功率是否滿足當前負荷需求，當Ppv≥Pbz+Pkz+Pqt時，表示光伏發電充足，閉合儲能支路，通過電池充電，滿足功率差額，進入下一步；否則閉合儲能支路，通過電池放電，滿足功率差額；
(8)判斷光伏和儲能的總功率是否滿足負荷需求，當Ppv+Pbat≥Pbz+Pkz+Pqt時，表示家庭微網光儲發電充足，此時通過總出線開關向電網售電，運算模塊計算總售電量；當Ppv+Pbat＜Pbz+Pkz+Pqt時，表示家庭微網光儲發電不足，此時通過總出線開關向電網購電，運算模塊計算總購電量；
(9)保持開關狀態，返回步驟1)。
步驟3)所述的離網模式下各分支開關分合方式包括：
首先定義各支路開關對應的負荷類型，即將總體控制流程中支路的有功功率P1，P2…Pn，對應為光伏發電功率Ppv，儲能支路功率Pbat，所帶電器設備負荷；
各支路負荷根據類型分為三類不可轉移負荷Pbz、可轉移負荷Pkz、其他負荷Pqt；其中對於不可轉移負荷Pbz必須保證不間斷供電，可轉移負荷Pkz和其他負荷Pqt可根據實際情況選擇是否投入；
離網模式下各分支開關分合方式具體包括：
(1)判斷儲能荷電狀態，當儲能荷電狀態≥30％時，說明儲能電池可保證離網下正常供電，此時閉合儲能支路開關；
(2)閉合不可轉移負荷支路開關，儲能系統放電；
(3)判斷微網中是否有可轉移負荷或其他負荷，若有則依次閉合負荷支路，並檢驗電池電量是否充足下一步，否則返回步驟1)；
當儲能SOC<30％時，斷開可轉移負荷和其他負荷支路開關，保障不可轉移負荷不間斷供電，返回步驟1)；
(4)在第(1)步中若檢測到儲能SOC80％時，說明電池已達上限，此時斷開光伏支路開關，返回步驟1)；
當光伏發電功率大於儲能充電功率時，即Ppv>Pbat_max時，閉合光伏支路開關為儲能充電，同時檢測負荷支路功率，當光伏仍有功率剩餘即Ppv-Pbz-Pkz>Pbat_max時，則關斷光伏支路停止充電，否則保持開關狀態不變，返回步驟1)。
本發明的一種適用於家庭微電網的智能開關控制方法，能夠保證市電正常供電和事故停電時家庭微電網的有效隔離，通過內部控制策略實現併網和離網運行時各類電器設備的電能最佳利用，提高能效水平。同時，通過智能開關通信單元，能滿足用戶對家庭用電設備的即時查詢與在線管理，提高系統運行經濟效益。
附圖說明
圖1是典型的家庭微電網系統結構；
圖2是本發明適用於家庭微電網的智能開關控制方對應的開關基本構成示意圖；
圖3是本發明適用於家庭微電網的智能開關控制方總體控制流程圖；
圖4是本發明中對當前電網狀態進行分析的流程圖；
圖5是本發明中運算模塊通過檢測市電電壓Us判斷電網狀態是否正常的流程圖；
圖6是本發明中併網模式下各分支開關分合方式的流程圖；
圖7是本發明中離網模式下各分支開關分合方式的流程圖；
圖8是本發明中本發明無線通信方式示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明的一種適用於家庭微電網的智能開關控制方法做出詳細說明。
本發明的一種適用於家庭微電網的智能開關控制方法，適用於採用220V接入的智能家庭微電網，提出一種適應於家庭微電網的智能開關控制方法，具體包括功率檢測、併網運行、離網運行、分合控制等功能的實現方法。
本發明方法所涉及的智能開關的控制方法能夠保證市電正常供電和事故停電時家庭微電網的有效隔離，通過內部控制策略實現併網和離網運行時各類電器設備的電能最佳利用，提高能效水平。同時，通過智能開關通信單元，能滿足用戶對家庭用電設備的即時查詢與在線管理，提高系統運行經濟效益。
圖1為典型的家庭微電網系統結構，家庭微電網中包含分布式光伏發電設備，小容量儲能設備，以及電視、冰箱、空調、照明等用電設備，各設備均接入到微網母線中，然後經過公共連接點(PCC)與市電相連。正常運行時，家庭微電網由市電單相220V供電維持電器設備運行，光伏為自發自用模式運行，儲能系統作為備用電源。市電故障時，家庭微電網的PCC節點斷開，儲能裝置維持電壓頻率，由光伏和負荷平衡來維持重要設備不間斷供電。其中，紅框內為本發明適用於家庭微電網的智能開關控制方法應用的開關範圍。
圖2本發明的一種適用於家庭微電網的智能開關控制方法對應的開關基本構成示意圖，其中①對應總出線開關為與單相220V市電的連接開關點，③對應各分支開關為系統出線，可接入光伏等新能源發電設備，儲能設備，以及家庭用電設備。家庭用電設備可以根據負荷性質接入到不同的開關中，形成照明迴路、電視機迴路、空調迴路、冰箱迴路等單獨供電分支迴路。各分支迴路中可以單獨計量本迴路的電流、功率及電量信息。在總出線開關與分支開關之間的②對應系統運算及通信模塊，能實現對採集到各迴路數據進行分析，形成最佳的系統運行方式，並通過通信模塊上傳至移動終端，同時能接收移動終端的控制指令。此外，集成在②中的④為並、離網指示燈，能顯示家庭微電網當前的運行狀態。
如圖3所示，本發明的一種適用於家庭微電網的智能開關控制方法，包括如下步驟：
1)總出線開關處實時檢測市電的電壓Us及電流Is，分支開關處實時檢測各支路的電壓U1，U2…Un及各支路的電流I1，I2…In；
2)將步驟1)中得到的電壓電流數據傳輸到運算模塊中，運算模塊計算總出線有功功率Ps、無功功率Qs及各支路的有功功率P1，P2…Pn、無功功率Q1，Q2…Qn，並對當前電網狀態進行分析；
如圖4所示，所述的對當前電網狀態進行分析，包括：
(1)對電壓和電流信號進行離散化處理，電壓和電流離散化公式為：
U ( k ) = Σ n = 0 N - 1 u ( n ) W N k n = Σ n = 0 N - 1 { Re W N k n u ( n ) + j Im W N k n u ( n ) } ]]>
式中u(n)是為在傅立葉變換周期內以採樣頻率對實測的電壓離散化得到的一組序列值，可代表總出線開關處實時檢測市電的電壓Us或分支開關處實時檢測各支路的電壓U1，U2…Un在各採樣內的幅值，N為傅立葉變換的周期，U(k)為對u(n)進行傅立葉變換值，為以n為周期的復指數序列，其中為該序列實部，為該序列虛部；
I ( k ) = Σ n = 0 N - 1 i ( n ) W N k n = Σ n = 0 N - 1 { Re W N k n i ( n ) + j Im W N k n i ( n ) } ]]>
式中i(n)是為在傅立葉變換周期內以採樣頻率對實測的電壓離散化得到的一組序列值，可代表總出線開關處實時檢測市電的電壓Is或分支開關處實時檢測各支路的電壓I1，I2…In在各採樣內的幅值，N為傅立葉變換的周期，I(k)為對i(n)進行傅立葉變換值，為以n為周期的復指數序列，其中為該序列實部，為該序列虛部；
(2)設定離散傅立葉變換的周期和迭代時間，分別計算N點不同頻率下的有功功率和無功功率，有功功率和無功功率計算公式為：
式中P(k)為有功功率值，Q(k)為無功功率值，為電壓相角，ψi(k)為電流相角；
(3)計算功率誤差，從而精確得出家庭微電網各電器支路的發、用電量，用於能效分析及運行控制，功率誤差計算公式為：
式中err為功率計算誤差，式中下表為k＝0，1，2，3時的電壓、電流、相角、功率等計算值。
在進行步驟2)的同時，運算模塊經通信模塊將開關的實時狀態，通過無線網絡送入移動終端互動，幫助用戶完成對家庭微電網的即時查詢與控制管理；如圖8所示，是通過無線網絡將各支路採集的數據以及運算控制模塊的用電能效分析結果上傳至移動終端，使用戶直接的掌握家庭用電狀態；同時用戶通過移動終端對家庭用電設備進行人工管理，根據個人需求及時關斷或閉合對應支路的開關；其具體通信方式為：
運算模塊在併網模式、離網模式控制的同時，通過無線網絡家庭微電網的運行狀態及各支路的用電情況分析上傳至移動終端；用戶根據自身判斷，下發用戶指令，對家庭微網進行遠程控制。
3)運算模塊通過檢測市電電壓Us判斷電網狀態是否正常，來控制總出線開關的分合，其中總出線開關閉合時為併網模式，總出線斷開時為離網模式；通過對各支路有功功率P1，P2…Pn的分析，形成併網模式下各分支開關分合方式或離網模式下各分支開關分合方式；
如圖5所示，所述的運算模塊通過檢測市電電壓Us判斷電網狀態是否正常，來控制總出線開關的分合，包括：
(1)判斷市電電壓是否正常，根據我國國家標準220V電壓波動範圍為-7％～+10％，因此，當204.6≤Us≤242V時，繼續下步判斷，否則斷開總出線開關；
(3)判斷市電頻率是否正常，根據我國國家標準50Hz頻率波動範圍為-0.5～+0.5Hz，因此，當49.5≤fs≤50.5Hz時，繼續下步判斷，否則斷開總出線開關；
(4)判斷市電相角是否正常，根據我國國家標準同期併網偏差範圍為20°，因此，當-20°≤θs≤20°時，認為電網正常，閉合併網開關，否則斷開總出線開關；
(5)根據總出線開關狀態，當總出線開關斷開時形成開關狀態0，對應離網狀態；當總出線開關閉合時形成開關狀1，對應併網狀態；
(6)保持開關狀態，返回步驟1)。
如圖6所示，所述的併網模式下各分支開關分合方式包括：
首先定義各支路開關對應的負荷類型，即將總體控制流程中支路的有功功率P1，P2…Pn，對應為光伏發電功率Ppv，儲能支路功率Pbat，所帶電器設備負荷；如電燈負荷Plight、冰箱負荷Pfridge、空調負荷Pair和熱水器負荷Pheater等。
各支路負荷根據類型分為三類不可轉移負荷Pbz、可轉移負荷Pkz、其他負荷Pqt；其中：不可轉移負荷Pbz包括電燈負荷Plight、冰箱負荷Pfridge等：
Pbz＝Plight+Pfridge
可轉移負荷Pkz包括空調負荷Pair、熱水器負荷Pheater等：
Pkz＝Pair+Pheater
其他負荷單獨計算：
Pqt＝Σ其他支路
併網模式下各分支開關分合方式具體包括：
(1)閉合光伏支路開關，利用步驟2)中的有功功率計算公式，計算光伏發電功率Ppv；
(2)閉合全部不可轉移負荷支路開關，如電燈、冰箱等，利用步驟2)中的有功功率計算公式，計算不可轉移負荷Pbz；
(3)判斷光伏發電功率是否滿足當前負荷需求，當Ppv≥Pbz時，表示光伏發電充足，此時再次判斷是否能夠依次閉合可轉移負荷，進入下一步；否則閉合儲能支路，通過電池放電，滿足功率差額；
(4)依次閉合可轉移負荷支路開關，如空調、熱水器等，利用步驟2)中的有功功率計算公式，計算可轉移負荷Pkz；
(5)判斷光伏發電功率是否滿足當前負荷需求，當Ppv≥Pbz+Pkz時，表示光伏發電充足，此時再次判斷是否能夠依次閉合其他負荷，進入下一步；否則閉合儲能支路，通過電池放電，滿足功率差額；
(6)判斷家庭內是否還有其他負荷支路，當存在時依次閉合其他負荷支路開關，計算可轉移負荷Pqt，否則其他負荷Pqt＝0；
(7)判斷光伏發電功率是否滿足當前負荷需求，當Ppv≥Pbz+Pkz+Pqt時，表示光伏發電充足，閉合儲能支路，通過電池充電，滿足功率差額，進入下一步；否則閉合儲能支路，通過電池放電，滿足功率差額；
(8)判斷光伏和儲能的總功率是否滿足負荷需求，當Ppv+Pbat≥Pbz+Pkz+Pqt時，表示家庭微網光儲發電充足，此時通過總出線開關向電網售電，運算模塊計算總售電量；當Ppv+Pbat＜Pbz+Pkz+Pqt時，表示家庭微網光儲發電不足，此時通過總出線開關向電網購電，運算模塊計算總購電量；
(9)保持開關狀態，返回步驟1)。
如圖7所示，所述的離網模式下各分支開關分合方式包括：
首先定義各支路開關對應的負荷類型，即將總體控制流程中支路的有功功率P1，P2…Pn，對應為光伏發電功率Ppv，儲能支路功率Pbat，所帶電器設備負荷；如電燈負荷Plight、冰箱負荷Pfridge、空調負荷Pair和熱水器負荷Pheater等。
各支路負荷根據類型分為三類不可轉移負荷Pbz、可轉移負荷Pkz、其他負荷Pqt；其中：不可轉移負荷Pbz包括電燈負荷Plight、冰箱負荷Pfridge等：
Pbz＝Plight+Pfridge
可轉移負荷Pkz包括空調負荷Pair、熱水器負荷Pheater等：
Pkz＝Pair+Pheater
其他負荷單獨計算：
Pqt＝Σ其他支路，其中對於不可轉移負荷Pbz必須保證不間斷供電，可轉移負荷Pkz和其他負荷Pqt可根據實際情況選擇是否投入；
離網模式下各分支開關分合方式具體包括：
(1)判斷儲能荷電狀態(SOC)，當儲能荷電狀態≥30％時，說明儲能電池可保證離網下正常供電，此時閉合儲能支路開關；
(2)閉合不可轉移負荷支路開關，儲能系統放電；
(3)判斷微網中是否有可轉移負荷或其他負荷，若有則依次閉合負荷支路，並檢驗電池電量是否充足下一步，否則返回步驟1)；
當儲能SOC<30％時，斷開可轉移負荷和其他負荷支路開關，保障不可轉移負荷不間斷供電，返回步驟1)；
(4)在第(1)步中若檢測到儲能SOC80％時，說明電池已達上限，此時斷開光伏支路開關，返回步驟1)；
當光伏發電功率大於儲能充電功率時，即Ppv>Pbat_max時，閉合光伏支路開關為儲能充電，同時檢測負荷支路功率，當光伏仍有功率剩餘即Ppv-Pbz-Pkz>Pbat_max時，則關斷光伏支路停止充電，否則保持開關狀態不變，返回步驟1)。
4)待各開關動作完成後，返回步驟1)。