一种PVT热电联供模块化能源站智能控制装置及运行方法与流程

本发明涉及一种pvt热电联供模块化能源站智能控制装置及运行方法，属于光伏、光热电气智能化控制。

背景技术：

1、近年来，“碳达峰碳中和”目标的提出，推动了各领域能源结构从传统化石能源向可再生清洁能源转型。同时，在能源应用时需要对碳排放进行精确测量和实时统计。pvt光伏组件能够利用光生伏特效应，将太阳能同时转化为电能和热能，作为清洁能源的补充。然而直接采用pvt系统作为供暖系统存在明显局限性，系统存在供暖的不稳定性和间歇性，无法利用太阳能进行全天候供暖。

2、当前，可再生能源应用中已存在多种形式的热电联供系统，如国家知识产权局申请公布号cn 120627256 a（申请公布日2025.09.12）公开了“一种集成式空气源热泵与光伏光热联动的三联供系统及其运行方法”，通过将pvt光伏组件、空气源热泵、一体化模块、用水终端和暖气片相连，实现光电/热能同步利用。其一体化模块包括换热水箱、供能水箱、风机盘管。pvt光伏组件为系统提供额外的能源补充，pvt光伏组件发电供给空气源热泵，pvt光伏组件吸收太阳能转化为热能通过循环加热换热水箱中的水并供给用水终端，实现用水终端热水模式；空气源热泵主机作为核心的冷热转换设备，具备冬季供暖模式、夏季制冷模式的双模式功能。然而其热泵、水泵、阀门等系统庞杂，系统能源耦合匹配性差，控制逻辑不清晰，应用场景适应性不足。

3、以cn 120627256 a为例，系统存在以下技术缺陷：第一，未实现智能化远程控制，未实现发电量、用电量、碳排放的精确计算和实时统计；第二，虽然实现了光伏光热组件、水泵、水箱的一体化物理集成，但未引入气象参数实时数据，无法预测运行状况，不能及时调整系统运行策略；第三，空气源热泵主机、光伏循环泵、暖气供水泵、水箱、阀门及其管路控制逻辑复杂，未能根据水箱水温等的变化对泵进行变频控制，以便节能和环保。

4、上述技术缺陷在偏远地区应用场景尤为突出，如青藏高原某光伏社区项目（2023年实测数据）显示，传统系统在-15℃环境下供热保证率仅为68%。因此亟须开发具备环境感知－负荷预测－多能互补的智能控制系统，这正是本发明要解决的核心问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种pvt热电联供模块化能源站智能控制装置及运行方法，通过电碳计量模块实现了对模块化能源站的发电量、耗电量数据进行实时计量，结合4g通信模块，引入气象实时数据，便于评估pvt热电联供模块化能源站其净减碳效益，优化能源站运营效率。

2、为达到上述目的，或为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的。

3、一方面，本发明提供一种pvt热电联供模块化能源站智能控制装置，包括：电碳计量模块，用于实时计量所述模块化能源站的能源数据；

4、扩展模块，用于采集所述模块化能源站内pvt热电联供系统的工作参数数据，所述工作参数数据包括：pvt组件温度和集热水箱温度；

5、4g通信模块，用于与远程智能控制后台进行数据交互，并接收实时气象数据，所述气象实时数据包括环境温度及辐照度；

6、主控模块，分别与所述电碳计量模块、扩展模块及4g通信模块通信连接，用于：

7、接收并分析所述能源数据、工作参数数据及气象实时数据；根据pvt组件温度与集热水箱温度的温差，生成集热泵的启停或变频控制指令；根据所述气象实时数据和所述能源数据，进行系统运行模式的逻辑判断；

8、执行模块，与所述主控模块连接，响应于所述控制指令，用于调节所述pvt热电联供系统中工作水泵的运行状态及阀门的开度。

9、进一步的，所述工作参数数据还包括以下用于主控模块进行多维度分析及生成多类型控制指令的参数中的至少一种：

10、自来水温度、太阳能供水温度、太阳能回水温度、热泵入口温度、热泵出口温度、用热水箱回水温度、集热水箱液位、用热水箱温度及液位，以及工作水泵出口压力；

11、所述能源数据包括光伏发电量、热泵机组耗电量及水泵耗电量；

12、所述气象实时数据包括环境温度及辐照度。

13、进一步的，所述执行模块包括：变频模块和可编程控制模块；

14、所述变频模块，用于根据所述主控模块的指令调节工作水泵的工作频率；

15、所述可编程控制模块，用于根据预定义逻辑联动所述变频模块，以控制工作水泵的定时启停及运行、水箱上水电磁阀的开启和关闭。

16、进一步的，还包括：电路控制模块，用于为所述控制装置提供通断及安全保护。

17、进一步的，所述主控模块被配置为执行以下控制逻辑，具体为：

18、实时对比分析由所述扩展模块采集的pvt热电联供系统中的pvt组件温度与集热水箱温度的温差；

19、当温差小于或等于第一阈值t1时，生成关闭集热泵的指令；

20、当温差大于第一阈值t1且小于第二阈值t2时，生成启动集热泵的定频运行的指令；

21、当温差大于第二阈值t2时，生成启动集热泵的变频运行的指令。

22、进一步的，所述主控模块被进一步配置为执行以下控制逻辑中的一种或多种，具体为：

23、当环境温度、辐照度达到第一预设阈值时，控制启动集热泵优先吸收pvt组件余热用于制热，并将热水存储在集热水箱，pvt组件所发电力优先自用，余电上网；

24、当环境温度、辐照度低于第二预设阈值时，控制优先采用市电联动热泵制热，pvt光热组件制热、发电为辅；

25、当集热水箱液位低于第三预设阈值时，控制集热水箱补水；当用热水箱液位低于第四预设阈值时，控制用热水箱补水；当用热水箱液位达到第五预设阈值时，控制停止补水；

26、根据太阳能供水温度与太阳能回水温度的差值，评估pvt组件集热效率，当温差低于第六预设阈值时，生成集热泵停机或防冻保护指令；

27、根据热泵入口温度与热泵出口温度的差值，判断热泵运行效率，当温差低于第七预设阈值时，生成热泵除霜或停机保护指令；

28、根据用热水箱回水温度与用热水箱温度的差值，判断用户用热负荷需求，当温差大于第八预设阈值时，生成热泵辅助加热指令；

29、根据自来水温度，结合环境温度，生成防冻预热指令。

30、进一步的，所述电碳计量模块还根据能源数据实时计算碳排放数据，用于碳排放盘查功能，表达式为：

31、；

32、 ；

33、其中：q为流经pvt热电联供系统的循环管路热水热量，n为能源站的耗电量，为电力碳排放因子，为碳排放数据，能源站的耗电量为热泵机组耗电量与水泵耗电量之和减去光伏发电量，c为水的比热容，v为热水体积流量，为太阳能供水温度，为太阳能回水温度。

34、第二方面，本发明提供一种基于上述的pvt热电联供模块化能源站智能控制装置的运行方法，包括：

35、收集目标应用场景的用热量需求与用电量需求；

36、基于获取的实时气象数据，评估所述模块化能源站的发电能力与制热能力；

37、基于所述用热量需求、用电量需求以及所述发电能力与制热能力的评估结果进行比对分析，从预设的若干种运行模式中确定并执行对应的运行模式。

38、进一步的，所述比对分析，具体包括：

39、；

40、其中：其中：为实际环境温度、为环境温度阈值；为充裕型用电量需求；为紧缩型用电量需求；为介于充裕型和紧缩型中间的用电量需求；为辐照度阈值上限，为辐照度阈值下限，为实际辐照度，为在用电模式基础上，按照用热需求的运行模式决策选择参数，为用热量需求系数，为时间。

41、预设的若干种运行模式具体包括：全额上网模式、水储能离网模式和自发自用余电上网模式；

42、全额上网模式具体为：控制pvt光伏组件所产生的全部电能经逆变后直接并入公共电网，系统不从光伏侧取电用于本地负荷；同时，pvt光热组件收集的热能通过换热介质存储于集热水箱中，用于后续供热；所述电碳计量模块分别计量上网电量及从公共电网取用的市电电量；

43、当主控模块决定切换至“全额上网模式”时，其向交直流转换模块发送指令（切换并网状态），同时根据预设的该模式下的运行逻辑，通过执行模块调整相关水泵和阀门的启停

44、水储能离网模式具体为：在用户侧供电入口处配置防逆流保护装置，pvt光伏组件所产生的电能全部用于满足本地负荷需求，禁止向公共电网馈电；光伏发电不足以覆盖负荷时，由市电或储能系统补充；同时，pvt光热组件收集的热能存储于集热水箱中，优先用于本地供热；所述电碳计量模块实时记录光伏发电量及本地用电量；

45、自发自用余电上网模式具体为：pvt光伏组件所产生的电能优先满足本地负荷需求，剩余电能经逆变后并入公共电网；光伏发电不足以覆盖负荷时，自动从公共电网取电补充；同时，pvt光热组件收集的热能存储于集热水箱中，用于本地供热；所述电碳计量模块分别记录自发自用电量、余电上网电量及从电网取用的市电电量。

46、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明通过电碳计量模块和4g通信模块，实现了对发电量、耗电量、碳排放的实时精确计量，并引入了气象实时数据，为系统优化运行和效益评估提供了数据基础，能够基于环境温度和辐照度预测运行状况，及时调整运行策略，增强了系统对环境变化的适应性。

47、本发明通过主控模块对pvt组件与水箱温差的分析，联动变频模块，实现了对集热泵的定频/变频精细化控制，避免了能源浪费，提高了系统能效，同时，可编程控制模块简化了复杂逻辑，实现了水泵、阀门的自动化管理；通过多种并网/离网运行模式的设置，使能源站能够灵活适应不同应用场景的政策要求和用电需求，提高了系统的适用性和经济性。