吳 敏

（中節(jié)能綠洲（北京）太陽能科技有限公司，北京 102627）

隨著新能源行業(yè)的快速發(fā)展和智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷實(shí)踐，分布式發(fā)電技術(shù)得到大力的發(fā)展。為推動(dòng)分布式發(fā)電的應(yīng)用，國家發(fā)展改革委2013年印發(fā)關(guān)于《分布式發(fā)電管理暫行辦法》，提出對于分布式發(fā)電，電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)提供并網(wǎng)服務(wù)，政府給一定補(bǔ)貼等規(guī)定。家庭供電網(wǎng)絡(luò)不在是單一的用電負(fù)荷的角色，而兼有發(fā)電的角色。家庭負(fù)載也不是單一的由交流電網(wǎng)供電，而是還有本地的分布式電源供電[1]。家庭能效管理與能源消費(fèi)也不在是簡單的用電管理，智能電網(wǎng)與家庭能效的管理是一種雙向互動(dòng)的方式，有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[2]。家庭能效管理會(huì)主動(dòng)參與到智能電網(wǎng)的綜合控制中，達(dá)到電網(wǎng)可以給用戶更經(jīng)濟(jì)更好的服務(wù)，同時(shí)家庭負(fù)荷可以通過避免電網(wǎng)高峰時(shí)段運(yùn)行等方法確保電網(wǎng)更加安全有效的運(yùn)行[3]。

智能電網(wǎng)與分布式電源的結(jié)合，催生了家庭微電網(wǎng)能效管理概念的提出和發(fā)展。近幾年來已經(jīng)有大量的研究和實(shí)踐，分布式電源在家庭中的不斷應(yīng)用帶動(dòng)了整個(gè)行業(yè)發(fā)展模式的改變[4]。戶用分布式發(fā)電中應(yīng)用最多的是光伏發(fā)電，分布式光伏發(fā)電與儲(chǔ)能結(jié)合起來可以實(shí)現(xiàn)對家庭能效的優(yōu)化利用。光/儲(chǔ)一體化智能逆變器可以實(shí)現(xiàn)光伏電池板和儲(chǔ)能蓄電池同時(shí)接入電網(wǎng)運(yùn)行，并通過對電池板和蓄電池的協(xié)調(diào)管理，實(shí)現(xiàn)最大功率并網(wǎng)發(fā)電、功率可調(diào)度并網(wǎng)發(fā)電和離網(wǎng)運(yùn)行三種工作模式。將智能家庭能效管理策略與光/儲(chǔ)一體化智能逆變系統(tǒng)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)家庭用電的優(yōu)化控制，提高家庭用電經(jīng)濟(jì)性[5]。

本文提出一種基于光/儲(chǔ)一體化智能逆變器的家庭能效管理策略，給出了家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖，做了詳細(xì)的介紹。通過對家庭能效管理的數(shù)學(xué)模型的分析提出一種針對分時(shí)電價(jià)的能效管理策略，達(dá)到家庭用電費(fèi)用最低的目標(biāo)，通過Matlab/Simulink仿真分析驗(yàn)證了控制算法的正確性。

1 基于智能逆變器的家庭微電網(wǎng)的系統(tǒng)整體架構(gòu)模式

由各種分布式電源、儲(chǔ)能單元、負(fù)荷以及監(jiān)控和保護(hù)裝置組成的集合，具有靈活的運(yùn)行方式和可調(diào)度性能，能在并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)運(yùn)行兩種模式間切換，這是微電網(wǎng)的定義。而家庭微電網(wǎng)可以理解，在一戶人家的用電網(wǎng)絡(luò)具備上述定義中的功能和特點(diǎn)，我們就可以稱之為家庭微電網(wǎng)。本文設(shè)計(jì)一種基于智能逆變器的家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的相關(guān)功能，并且使用設(shè)備數(shù)量很少，便于應(yīng)用于安裝分布式發(fā)電的用戶家庭中。

1.1 光/儲(chǔ)一體化智能逆變器功能簡介

分布發(fā)電中用的并網(wǎng)逆變器的特點(diǎn)是功率等級(jí)小，但集成的功能較多，較傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器更智能。光/儲(chǔ)一體化智能逆變器可接入兩路獨(dú)立的光伏發(fā)電單元，和一路儲(chǔ)能單元，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示。

圖1 智能逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這里設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，光伏電池板的電壓一般在150V到300V左右，儲(chǔ)能蓄電池系統(tǒng)的電壓一般在45V到65V左右。逆變器主要有4部分組成，兩個(gè)BOOST升壓DC/DC變換器，用來接兩路獨(dú)立的光伏發(fā)電，可以實(shí)現(xiàn)升壓、MPPT等功能；一個(gè)雙向DC/DC變換電路，采用DAB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)升、降壓和對于蓄電池的充放電，通過對電池的充放電兼顧穩(wěn)定直流BUS電壓等功能；一個(gè)單相逆變電路，采用H橋結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)、離網(wǎng)、PQ可調(diào)節(jié)等功能。

1.2 家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

圖2為一個(gè)家庭微電網(wǎng)的系統(tǒng)柜圖。從圖中系統(tǒng)可以看出，本文設(shè)計(jì)的家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)可以接入分布式光伏發(fā)電和儲(chǔ)能蓄電池，并且應(yīng)用智能逆變器，可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行模式和離網(wǎng)運(yùn)行兩種工作模式。在并網(wǎng)工作的時(shí)候，輸出的有功功率和無功功率的大小可以接受上層的控制指令。雙向計(jì)量裝置可以實(shí)現(xiàn)對用戶與電網(wǎng)之間功率交換進(jìn)行雙向計(jì)量[6]。如果光伏發(fā)電的功率大于本地負(fù)載的用電功率，并且蓄電池的電量也充足的情況下，可以將多余的電量送到電網(wǎng)。在偏遠(yuǎn)山區(qū)或者電網(wǎng)不穩(wěn)定的地區(qū)，可能出現(xiàn)電網(wǎng)故障或者電網(wǎng)不穩(wěn)定的情況，此時(shí)系統(tǒng)可以斷開并網(wǎng)開關(guān)，工作在獨(dú)立模式，由光伏發(fā)電和蓄電池來提供電能，智能逆變器工作在電壓源模式。

微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中設(shè)備的監(jiān)測與控制，根據(jù)具體目標(biāo)和實(shí)際情況會(huì)加入能理管理策略在微電網(wǎng)的監(jiān)控平臺(tái)中[7]。LabVIEW以其入門簡單，開發(fā)周期短，開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)在中國得到了越來越多的應(yīng)用[8]，本文中監(jiān)控系統(tǒng)采用 LabVIEW 軟件開發(fā)。智能逆變器通過485通信線與數(shù)據(jù)采集卡連接，本地負(fù)載或者控制本地負(fù)載的開關(guān)與通過485通信線與數(shù)據(jù)采集卡連接，能效管理系統(tǒng)直接與采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最終實(shí)到對整個(gè)系統(tǒng)的綜合管理。

圖2 家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)框圖

2 家庭電力消費(fèi)的數(shù)學(xué)模型

為了實(shí)現(xiàn)對家庭內(nèi)涉及的電源和負(fù)荷進(jìn)行能效優(yōu)化利用的有效管理，要對所有發(fā)電電源和負(fù)載建立數(shù)字模型。本文中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每 3min采集一個(gè)數(shù)據(jù)，相關(guān)于把一天24h分為480個(gè)小時(shí)段，認(rèn)為每個(gè)時(shí)段功率不變，通過光伏發(fā)電功率和負(fù)載用電功率，以及蓄電池發(fā)出功率關(guān)系，可以很容易得到以下功率平衡方程[9]：

式中，Pw(i)為i時(shí)段電網(wǎng)發(fā)出功率大??；Pg(i)為 i時(shí)段光伏發(fā)電發(fā)出功率大小；Pd(i)為i時(shí)段蓄電池發(fā)出功率大小；Pfg(i)為i時(shí)段負(fù)載總用電功率大??；負(fù)載總用電功率的大小就等于每個(gè)負(fù)載在 i時(shí)段之和，即

式中，Pf(i,n)為第n個(gè)負(fù)載在i時(shí)段用電功率大小。

為提高可再生能源的利用率，保證光伏發(fā)電的功率被充分利用一定是最經(jīng)濟(jì)的，光伏發(fā)電一定工作在 MPPT模式，Pg(i)的大小由光照等因素決定。Pfg(i)的大小由用戶使用負(fù)載情況決定，為完全不影響用戶對用電設(shè)備使用的限制，本文中對負(fù)載不進(jìn)行過多管理。Pd(i)為蓄電池發(fā)出功率，可接受能效管理系統(tǒng)指令調(diào)度。

能量管理的目標(biāo)，一定包括經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)在國內(nèi)外有很多地區(qū)實(shí)行峰谷電價(jià)制度，這為能效管理實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)提供了政策基礎(chǔ)。以一天為一個(gè)周期，一天與電網(wǎng)產(chǎn)生的電費(fèi)為

式中，Y為一天內(nèi)與電網(wǎng)產(chǎn)生的電費(fèi)；μi為i時(shí)段電網(wǎng)電價(jià)；Td為時(shí)間間隔3min，也就是0.05h。

由于系統(tǒng)中蓄電池的存在，所以要計(jì)算一天電力消費(fèi)，還要考慮儲(chǔ)能蓄電池的電量的改變情況，一天電力消費(fèi)的計(jì)算式為

式中，Y0為一天內(nèi)的總電力消費(fèi)；ΔSOC為一天內(nèi)的電池電量的增加值，單位kW·h；μb為蓄電池節(jié)省的與電網(wǎng)產(chǎn)生的用電費(fèi)用的等價(jià)值；μi為 i時(shí)段電網(wǎng)電價(jià)，以北京市農(nóng)業(yè)用電1000V以下峰谷電價(jià)為例。北京市出臺(tái)政策規(guī)定，對于農(nóng)業(yè)用電1000V以下情況，高峰時(shí)段為早8∶00—11∶00和晚18∶00到23∶00，電價(jià)為0.743元/kW·h；平峰時(shí)段為7∶00—8∶00和11∶00—18∶00，電價(jià)為0.516元/kW·h；低谷時(shí)段為23∶00—7∶00，電價(jià)為0.305元/kW·h。由此可以得到i時(shí)段的電價(jià)表達(dá)式如下：

由于蓄電池充電放電的時(shí)刻不同，電價(jià)不同，而且比較隨機(jī)，本文中將蓄電池中的電量保守計(jì)算，μb取平峰電價(jià)0.516元/kW·h。

3 家庭能效管理控制策略

對于家庭能效管理的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)來講，能效管理的最終目標(biāo)可以簡化為，讓Y0，也就是一天內(nèi)的總電力消費(fèi)最低。為了不影響用戶的用電使用，本文只對光伏發(fā)電和儲(chǔ)能蓄電池進(jìn)行能效管理控制。

蓄電池的控制策略按不同時(shí)段和不同情況控制方向不同，可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

1）蓄電池有最低放電深度SOCmin。

2）蓄電池有最大充放電功率Pd(i)max。

3）在用電高峰時(shí)段，首先將光伏發(fā)電全部利用，光伏發(fā)電大于負(fù)荷功率時(shí)，多余電量充入電池。光伏發(fā)電小于負(fù)荷功率時(shí)，其余電量盡量由蓄電池提供，除非電量到SOCmin時(shí)，不夠的用電量由電網(wǎng)補(bǔ)充。

4）在用電平峰時(shí)段，首先將光伏發(fā)電全部利用，光伏發(fā)電大于負(fù)荷功率時(shí)，多余電量充入電池。光伏發(fā)電小于負(fù)荷功率時(shí)，直接由電網(wǎng)補(bǔ)充。

5）在用電低谷時(shí)段，充分利用光伏發(fā)電，電池以最大充電功率充電，所有不足功率，從電網(wǎng)補(bǔ)充。

由以上幾點(diǎn)控制原則，通過進(jìn)一步優(yōu)化后，可以總結(jié)出以下幾個(gè)數(shù)字模型，進(jìn)行對蓄電池充放電功率的優(yōu)化控制：

平峰用電時(shí)i=(140～160)，(220～360)，有

對蓄電池的充放電控制要考慮電池的保護(hù)，所以有如下限制：

通過對蓄電池充放電功率的在不同時(shí)間段和不同發(fā)電、用電情況下的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對家庭能效的管理，達(dá)到電力消費(fèi)最低化的目標(biāo)。

4 仿真結(jié)果與分析

在理論研究的基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真。仿真的數(shù)據(jù)輸入采用實(shí)際采集的分布式光伏發(fā)電功率的數(shù)據(jù)和用戶用電數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)光伏裝機(jī)為5kW，儲(chǔ)能蓄電池采用48V/60Ah鋰電池。將光伏發(fā)電和用戶用電功率在一天內(nèi)的變化通過計(jì)量裝置計(jì)量下來，作為仿真數(shù)據(jù)的輸入數(shù)據(jù)。在Matlab中，加入能效管理算法，計(jì)算一天的總用電費(fèi)用Y0的大小。

圖3為北京某小學(xué)教學(xué)樓的裝機(jī)5kW光伏系統(tǒng)的實(shí)測一天的發(fā)電數(shù)據(jù)曲線。圖4為該小學(xué)教學(xué)樓在這一天的用電負(fù)荷曲線，可以看出早高峰和晚高峰用電功率較大。

圖3 光伏發(fā)電功率曲線

圖4 負(fù)載用電功率曲線

圖5中，橫坐標(biāo)為時(shí)間間隔，為結(jié)果更加直觀按小時(shí)顯示；縱坐標(biāo)為用用總費(fèi)用Y0的大小。1號(hào)曲線為沒有加入能效優(yōu)化管理策略的Y0曲線，可以看出1號(hào)曲線隨著時(shí)間的積累，用電費(fèi)用在不斷增加。到 24點(diǎn)時(shí)，Y0=7.45元；2號(hào)為加入能效優(yōu)化管理策略之后的Y0曲線，從0點(diǎn)到早上7點(diǎn)左右，電費(fèi)明顯增加比較快，這是因?yàn)?，不光?fù)荷在用電，蓄電池還在向電網(wǎng)取電充電，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)刻電費(fèi)相對較為便宜。最終到24點(diǎn)時(shí)，不考慮電池內(nèi)的存儲(chǔ)的電量的情況下，電費(fèi)為 Y0=6.90元。加入能效管理后，在這一天中向電網(wǎng)少交電費(fèi)0.55元。蓄電池的電量變化如圖6所示，負(fù)值表示功率由電網(wǎng)方向流入，也就是說到 24點(diǎn)蓄電池內(nèi)存儲(chǔ)電量6.1kW· h，如果保守計(jì)算按平峰電價(jià)放出的話，相當(dāng)于節(jié)省電費(fèi)3.15元左右。綜合考慮，一天下來共節(jié)省電費(fèi)3.70元。說明能量管理策略正確、有效。

圖5 用電費(fèi)用仿真結(jié)果對比

圖6 蓄電池一天內(nèi)電量變化

5 結(jié)論

本文對家庭系統(tǒng)的構(gòu)建給出了詳細(xì)的說明，對于智能逆變器的組成和功能進(jìn)行了介紹。在此基礎(chǔ)上，通過對家庭用電電源和負(fù)荷的深入分析，得到數(shù)學(xué)模式。并且以數(shù)學(xué)模型的形式，給出了能效管理的控制策略。最后用Matlab/Simulink對實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證了能量管理算法的正確性和可行性。本文中為了不影響用戶對負(fù)載的使用，對于負(fù)載沒有進(jìn)行管理，下一步工作可以進(jìn)一步對負(fù)載進(jìn)行分類，對于負(fù)載的工作功率大小和工作時(shí)段進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的能效管理策略。

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