一种自组网管理光伏热水系统及方法

技术领域

本发明涉及一种热水器系统，尤其是一种自组网管理光伏热水系统，同时还涉及相应的方法，属于太阳能热水器技术领域。

背景技术

太阳能热水器由于具有节能环保的显著优点，因此受到普遍欢迎。然而，对于高层建筑的低层用户而言，往往需要借助较长的管路才能将楼顶被太阳能集热装置加热的热水引接到用水位置，不仅安装施工多有不便，而且管道漏热多，太阳能的利用率将大打折扣。为此，申请号为201710775520.3的中国专利公开了一种太阳能电热水器用光伏电源变换器及其控制方法，将太阳能电池板组件发出的不断变化的低压直流电高效转换成稳定的有效值为220V的直流电，并通过MPPT控制把电能不断等效地转换成热能存储在保温电热水器内以便随时使用，安装非常简便、免维护，光伏电源变换器具有体积小、重量轻、电能变换效率高的特点，成本低，寿命长，除可专门用于太阳能电热水器外，也可用于其他中小型隔离升压DC/DC变换器；当把光伏电源变换器的输出电压由220Vdc调整为400Vdc并做相应的电路参数调整，也可作为中小型太阳能光伏并网或离网逆变器的前级或中小型不间断电源的前级。该技术方案虽可以避免长管路施工的不便，但将光伏输出的直流电逆变成交流电供热水器使用，需要逆变装置，既增加成本又因逆变器自功而耗降低了转化效率，而且不涉及光伏可带负载的自适应调节的相关方案。

此外，申请号为202010744716.8的中国专利公开了一种多智能体系统的分布协同装置及其控制方法，属于智能家居控制，包括光伏发电组件，所述光伏发电组件的输出端分别与第一继电器以及第二继电器的输入端电性连接，所述第二继电器的输出端与蓄电池的输入端电性连接，所述蓄电池与第二电压感应器并连。本发明中，通过设计的第一微控制器、第二微控制器、第三微控制器、光伏并网模块、蓄电池、电源切换模块、电加热器、温度传感器以及水流量传感器等结构之间的互相配合下，个人资源与公共设备协同作用，可避免因市电供电系统出现故障，而给人们的生活带来不便，且能够在较高的程度上降低了电能以及燃气使用量的同时，并保证了燃气热水器的使用效果。该技术方案虽然着眼于光伏发电的多余电量来为其他电器供电的利用，但也需配置逆变器、蓄电池及其控制系统，复杂且成本高；另外还需对电梯、燃气热水器等用电电器进行电气和相关系统改造，在应用上存在一定的难度。

总之，上述现有技术除了系统构成复杂之外，均未能考虑如何借助灵活的网络管路、妥善合理充分利用光伏电能的问题。

发明内容

本发明的目的在于:针对上述现有技术存在的问题，提出一种可以充分合理利用光伏电能的自组网管理光伏热水系统，同时还给出相应的方法。

为了达到上述目的，本发明自组网管理光伏热水系统的基本技术方案为：包括铺设在楼宇顶部的光伏发电板阵列以及安装在楼宇各户的分户电热水器，所述分户电热水器的水箱中装有接市电的交流电加热管和直流电加热管；

所述光伏发电板阵列向汇总电缆输出预定电压的直流电，所述汇总电缆通过分户电热水器的水箱控制器接相应的直流电加热管；

所述水箱控制器含有中央控制单元，所述中央控制单元具有分别接光伏电压检测、光伏电流检测以及水箱温度传感器的相应信号输入端口，所述中央控制单元的相应控制端分别接交流电加热管和直流电加热管的受控端，所述中央控制单元的通讯端通过通讯端口与各分户电热水器的水箱控制器之间通讯连接。

本发明的系统运行时，自组网管理步骤为：

第一步、按预定规律设定水箱控制器之一作为主控机；

第二步、主控机根据组网通讯搜集到的各分户热水器设定信息，分配各分户热水器直流电加热管的优先级；

第三步、主控机根据电压检测，判断汇总电缆提供的电压是否大于等于预设关闭电压，如是则进行第五步，如否则进行下一步；

第四步、主控机依次逐级判断优先级相对最低的直流电加热管是否关闭，如否则控制其关闭并延时预定时长后返回第三步；

第五步、主控机根据电压检测，判断汇总电缆提供的电压是否大于等于预设开启电压，如是则进行下一步，如否则返回第三步；

第六步、主控机逐级判断优先级相对最高的直流电加热管是否开启，如否则控制器开启并延时预定时长后返回第三步，如是则进行下一步；

第七步、分别计算当前供电的各直流电加热管负载功率，并求出光伏直流电路的瞬时总负载功耗，进行下一步；

第八步、主控机判断当前优先级相对最高的直流电加热管是否是最后一级，如否则进行下一步，如是则进行第十步；

第九步、判断算得的当前负载功率是否大于前此一次计算的负载功率，如否则返回第三步，如是则返回第六步；

第十步、结束此次光伏负载调控循环。

本发明进一步的完善是，所述汇总电缆的另一路经并网逆变器接电网；所述并网逆变器和各分户电热水器的水箱控制器之间通讯连接。这样可以当光伏发电富余时，将电能传输给电网。

本发明更进一步的完善是，所述第一步当当前主控机失去通讯联络时，以预定规律产生新的主控机。这样可以充分发挥自组网的优势，通过替代备份，保证系统的稳定可靠。

采用本发明后，不仅可以实现光伏直流供电水温达不到设定温度时，自行通过启动交流加热管，使直流和交流加热有机结合在一起；而且系统通过实时监控光伏电压的变化合理决定投入或撤出直流电加热管，使光伏发电的有效输出功率得以始终处于相对高的区段，运行稳定、可靠。

附图说明

图1是本发明实施例一的系统构成示意图。

图2是图1实施例的系统控制电路框图。

图3是本发明采用交流载波通讯电路的示意图。

图4是本发明采用专用网络线通讯电路的示意图。

图5是本发明采用无线通讯电路的示意图。

图6是图1实施例的水箱控制器电路原理图。

图7是图1实施例的水箱控制器光伏负载调控管理逻辑框图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的自组网管理光伏热水系统基本构成如图1和图2所示，若干个光伏发电板1-1相互串联成组、再各组并联构成铺设在楼宇顶部的光伏发电板阵列1。楼宇中安装分户电热水器2（2.1、2.2…2.N）。各分户电热水器2的水箱2-1装有接市电的上、下两交流电加热管2-2和位于下部的直流电加热管2-3。交流电加热管2-2和直流电加热管2-3受控于相应的继电器2-4。

并路后的光伏发电板阵列1向汇总电缆输出预定电压的直流电，一路通过分户电热水器2的水箱控制器3接各直流电加热管。另一路接并网逆变器5接电网。并网逆变器、分户电热水器的水箱控制器之间通过通讯连接线4进行通讯。

水箱控制器3如图6所示，含有作为中央控制单元的中央处理芯片IC5（N76E003AT20）。跨接在汇总电缆正、负缆线之间的光伏电压检测插接端P2，将直流电压通过光电隔离器件U4及其外围电路隔离取样后，连接到电压基准芯片U10.2输入端，经U10.2及其外围器件构成的电压检测处理电路后，再送到中央处理芯片IC5的电压信号输入端6脚。串接在汇总电缆缆线中的霍尔效应电流传感器芯片U7，将直流电流隔离并取样后连接到电流基准芯片U8.1的信号输入端，经U8.1及其外围器件构成电流检测处理电路后，连接到中央处理芯片IC5的电流信号输入端14脚。

此外，水箱温度传感器2-6接中央控制单元的温度信号输入端口，中央控制单元IC5的加热控制端分别接作为交流电加热管2-2和直流电加热管2-3受控端的相应的继电器2-4，中央控制单元IC5的通讯端通过通讯端口2、3脚经含有IC2的RS-485通讯电路连接其他热水器和并网逆变器的通讯端。L1、TR1、U1及其外围部件构成电源电路，提供水箱控制器需要的+5V、+12V直流电压。

系统运行时，按以下步骤进行自组网管理：

第一步、按预定规律设定主控机，例如设定标号最小的分户热水器的中央控制单元为主控机；当现主控机失去通讯联络时，则下一个编码最小的为主控机。

第二步、主控机根据组网通讯搜集到的各分户热水器工作模式、水箱水温等设定参数，分配各分户热水器直流电加热管的优先级；例如，要求立即开机提供热水的即热模式、要求在设定时间段提供热水的定时模式、开机状态下等待加热提供热水的待机模式、关机模式，其优先顺序为即热模式优先于→定时模式（可按照设定时间的顺序进一步细分优先级）优先于→待机模式（可按照通过对用户用热水习惯的统计和分析得出当日用水概率进一步细分优先级）优先于→关机模式。

第三步、主控机根据电压检测，判断汇总电缆提供的电压是否大于等于预设关闭电压，如是则进行第五步，如否则进行下一步。

由于光伏发电能力随辐照量变化，当负载远超出其当前负载能力时，输出电压会显著下降，光伏发电的有效输出功率也会随之显著下降。设定关闭电压阀值能有效保证光伏发电的输出功率始终处于相对合适的区间。

第四步、依次逐级判断优先级相对最低的直流电加热管是否关闭，如否则控制其关闭并延时预定时长后返回第三步。例如，判断第N直流电加热管是否关闭，如否则控制其关闭并延时预定时长后返回第三步，如是则判断第N-1级…；按此规律一直判断下去，直到优先级最高的直流电加热管是否关闭。

光伏发电的即时输出功率是变化的，当其负载能力处于相对较低的状态时，优先关闭加热优先级低的直流电加热管可以保障优先级高的直流电加热管工作。设置直流电加热管再开启的时长间隔，可以避免直流电加热管频繁开停，既保护光伏发电板，同时也保护了控制电路。

第五步、主控机根据电压检测，判断汇总电缆提供的电压是否大于等于预设开启电压，如是则进行下一步，如否则返回第三步。

在光伏发电的即时发电能力上升而负载不变的情况下，其光伏输出电压会明显上升，当达到预设的开启电压（高于预设关闭电压）时，说明接负载能力相对较强，此时再进一步接入直流电加热管。若光伏电压处于开启电压和关闭电压之间时，光伏发电的负载能力基本不变化，因此而保持现状。

第六步、主控机逐级判断优先级相对最高的直流电加热管是否开启，如否则控制器开启并延时预定时长后返回第三步，如是则进行下一步。

光伏负载能力变强，优先级高的直流电加热管先投入工作。

第七步、分别计算当前供电的各直流电加热管负载功率Pi=U*Ii，并求出光伏直流电路的瞬时总负载功耗ΣPi

式中Pi——优先级相对高的直流电加热管功率，单位：千瓦

U ——单位：伏

Ii——流经优先级相对高的直流电加热管的电流，单位：安培

ΣPi——当前光伏的瞬时总负载功率，单位：千瓦

进行下一步。

合理的功率配置应该是每增加一个直流电加热管投入工作，均测算其功耗，并算出整个光伏发电系统的瞬时总功耗，进而通过判断瞬时总功耗的变化趋势，决定投入的直流电加热管数量。

第八步、主控机判断当前优先级相对最高的直流电加热管是否是最后一级，如否则进行下一步，如是则进行第十步。

这样可以使优先级高的直流电加热管先投入工作。

第九步、判断算得的当前负载功率是否大于前此一次计算的负载功率，如否则返回第三步，如是则返回第六步。

当本级直流电加热管投入工作后，瞬时总功耗处于增加趋势，表明光伏发电可接负载能力还没达到饱和状态，还可以接入下一级直流电加热管。

第十步、结束此次光伏负载调控循环。

采用本实施例自组网管理光伏热水系统及方法与现有技术相比，具有如下突出优点：

1）与现有技术通常设置一个中央控制器来管理系统内各个设备不同，本实施例的系统具有去中心网格化管理的特点，系统内网络内的每个分户电热水器均可承担光伏发电负载的系统分配和管理，不仅管控灵活，而且相互支撑，运行可靠性显著提高。

2）考虑到光伏发电的可接负载能力动态变化，负载接入不当将使光伏发电的有效输出大幅下降，因此本实施例的系统通过实时监控光伏电压的变化，来选择是否投入新的优先级高的直流电加热管或撤出正在工作的优先级低的加热管，使光伏发电的有效输出功率得以始终处于相对高的区段。

3）实时监控新投入工作的直流电加热管对总功率的影响，进一步保证了光伏发电的有效输出功率处于相对高的区段。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。例如，分户电热水器2的中央控制单元2-5通讯端口也可以通过交流载波通讯模块2-7接入交流电源线路（图3）、或通过直流载波通讯模块2-8相互通讯连接（图4）、或通过无线通讯模块2-9相互通讯连接（图5）。再如，各分户热水器达到设定温度后，既可以自行断开光伏直流电加热管，并通知主控机；也可以由主控机通知热水器控制器断开光伏直流电加热管。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。