魯照權(quán), 華 繪, 向偉偉

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

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一種光伏/市電互補(bǔ)供電系統(tǒng)功率自動(dòng)分配方法

魯照權(quán), 華 繪, 向偉偉

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

為了最大限度地提升光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)的投入產(chǎn)出比,文章在給出了一種光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了一套功率自動(dòng)分配方法。為了描述光伏電池的供電能力,建立了供電能力矩陣;根據(jù)不同負(fù)載的用電情況,建立了優(yōu)先級矩陣;在考慮市電峰谷電價(jià)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了功率分配的快速、自動(dòng)、準(zhǔn)確控制。實(shí)例分析表明該功率自動(dòng)分配方法能大大提升光電互補(bǔ)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

光電互補(bǔ);供電系統(tǒng);功率自動(dòng)分配;能量管理

光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)將會(huì)成為很多家庭通用的供電模式,而功率自動(dòng)分配方法是保證系統(tǒng)高效運(yùn)行的核心技術(shù),功率分配方法的優(yōu)劣決定著相同投資下所獲得收益的高低。雖然,光伏市電互補(bǔ)供電系統(tǒng)目前已有應(yīng)用,但是尚無合理完備的功率自動(dòng)分配方法[1-4]。

近年來,光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)功率分配方面的研究已有一些成果。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于光伏電能質(zhì)量合格或不合格的光伏或市電供電的電源切換控制器，該控制器根據(jù)光伏供電質(zhì)量合格或不合格來決定是使用光伏發(fā)電還是市電。因此,無法進(jìn)行光電與市電的混合使用,也無法最大限度地提升系統(tǒng)的投入與產(chǎn)出比。文獻(xiàn)[6]將系統(tǒng)工作模式分為光伏系統(tǒng)最大輸出功率大于負(fù)載所需功率、光伏系統(tǒng)最大輸出功率小于負(fù)載所需功率、光伏系統(tǒng)無法工作3種工作模式,并采用脈寬調(diào)制技術(shù)利用市電對系統(tǒng)進(jìn)行能量補(bǔ)充,該系統(tǒng)雖然能夠在任何情況下保證系統(tǒng)的正常供電,但是,沒有考慮充分利用蓄電池儲(chǔ)能及市電峰谷電價(jià)等重要因素。

本文在充分考慮負(fù)載用電優(yōu)先級、延長光伏供電時(shí)間、市電峰谷電價(jià)等要素的基礎(chǔ)上,建立負(fù)載用電優(yōu)先級矩陣、光伏供電能力矩陣[7];基于負(fù)載用電優(yōu)先級、蓄電池電量、市電峰谷時(shí)間等因素,提出了一套光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)的功率優(yōu)化自動(dòng)分配方法。

1 光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,由光伏電池、蓄電池、充電模塊、整流模塊、市電、光伏充電控制開關(guān)K1、市電充電開關(guān)K2、光伏供電總開關(guān)KPV、蓄電池供電總開關(guān)KBAT、市電供電總開關(guān)KDC、負(fù)載i的光伏或蓄電池供電開關(guān)KPi(負(fù)載編號i=1,…,N)、負(fù)載i的市電供電開關(guān)KDi組成。為了簡化問題描述,假設(shè)系統(tǒng)直接采用直流供電。對于交流供電的負(fù)載,只要在電池的輸出端安裝一臺逆變器即可[8-10]。

圖1 光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述與控制規(guī)則

針對負(fù)載用電的緊迫性情況,設(shè)置高、低優(yōu)先級矩陣;基于光伏電池供電能力,設(shè)置供電能力矩陣,并根據(jù)光伏功率的變化實(shí)時(shí)修正供電能力矩陣;基于最大限度地使用光伏電能、充分考慮市電峰谷電價(jià),在系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量下將市電電費(fèi)降至最低的原則,制定各開關(guān)控制規(guī)則,實(shí)現(xiàn)功率的自動(dòng)分配,最大限度地發(fā)揮光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)的投入與產(chǎn)出比。

2.1 負(fù)載用電優(yōu)先級矩陣

有些負(fù)載隨時(shí)可能使用,如計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、照明、空調(diào)等,該類負(fù)載用電的緊迫性高,應(yīng)設(shè)置為高優(yōu)先級;可計(jì)劃使用的負(fù)載,如熱水器、電動(dòng)車充電設(shè)備等負(fù)載用電的緊迫性低,應(yīng)設(shè)置為低優(yōu)先級。因此,對N個(gè)負(fù)載,可建立負(fù)載優(yōu)先級矩陣PR,即

PR=[PRN,PR(N-1),…,PR2,PR1]

(1)

其中,PRi(i=1，…，N)代表相應(yīng)負(fù)載的優(yōu)先級。為了方便控制算法的實(shí)現(xiàn),高優(yōu)先級定義為1,低優(yōu)先級定義為0。

2.2 光伏供電能力矩陣

受地區(qū)、季節(jié)、天氣、晝夜等環(huán)境因素的影響,光伏電池供電能力會(huì)不斷地變化?；跈z測結(jié)果,實(shí)時(shí)地掌握光伏電池供電能力,以便實(shí)施系統(tǒng)功率分配控制,建立并刷新供電能力矩陣UC,即

UC=[uN,uN-1,…,u2,u1]

(2)

其中,ui=1表示光伏電池對負(fù)載i有供電能力;ui=0表示光伏電池對負(fù)載i無供電能力,i=1,2,…,N。

(3)

設(shè)PLi、i=1,2,…,N均已知或可測量,令

；

? ?

? ?

(4)

2.3 開關(guān)控制規(guī)則

K1為光伏給蓄電池充電開關(guān),K1=1表示閉合,K1=0表示斷開;K2為市電給蓄電池充電開關(guān),K2=1表示閉合,K2=0表示斷開。

檢測蓄電池電量,若其電量未達(dá)下限或已經(jīng)充滿電,則斷開光伏充電開關(guān)K1、市電充電開關(guān)K2;若蓄電池電量已達(dá)下限,而光伏發(fā)電量正常且能夠滿足負(fù)載所需,則閉合光伏充電開關(guān)K1;若蓄電池電量已達(dá)下限、光伏發(fā)電量無法滿足負(fù)載所需,且處于市電最低電價(jià)時(shí)間內(nèi),則閉合市電充電開關(guān)K2;若蓄電池電量已達(dá)下限、光伏發(fā)電量無法滿足負(fù)載所需,且并非處于市電最低電價(jià)時(shí)間內(nèi),則斷開光伏充電開關(guān)K1、市電充電開關(guān)K2。其他開關(guān)的控制規(guī)則為:

KPV=u1+u2+…+uN

(5)

(6)

u=u1·u2·…·uN

(7)

KPi=ui·KPV+KBAT

(8)

(9)

其中,“+”表示“或”運(yùn)算,“·” 表示“與”運(yùn)算。KPV為光伏供電總開關(guān),KPV=1表示閉合,KPV=0表示斷開;KBAT為蓄電池供電總開關(guān),KBAT=1表示閉合,KBAT=0表示斷開;KDC為市電供電總開關(guān),KDC=1表示閉合,KDC=0表示斷開;KPi為第i個(gè)負(fù)載的光伏或蓄電池供電開關(guān),KPi=1表示閉合,KPi=0表示斷開;KDi為第i個(gè)負(fù)載的市電供電開關(guān),KDi=1表示閉合,KDi=0表示斷開。

3 系統(tǒng)工作流程

光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)的功率自動(dòng)分配工作流程如圖2所示。

圖2 光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)功率自動(dòng)分配工作流程

系統(tǒng)工作流程步驟如下：

(1) 提取設(shè)定的負(fù)載用電優(yōu)先級矩陣PR=[PRN,PR(N-1),…,PR2,PR1],其中,PRi(i=1,2,…,N)代表相應(yīng)負(fù)載的優(yōu)先級,高優(yōu)先級定義為1,低優(yōu)先級定義為0。

(2) 檢測光伏功率,刷新供電能力矩陣UC=[uN,uN-1,…,u2,u1],其中,ui=1表示光伏電池有供電能力；ui=0表示光伏電池?zé)o供電能力,i=1,2,…,N。

(3) 檢測蓄電池電量,若蓄電池電量未達(dá)下限或已經(jīng)充滿電,則斷開光伏充電開關(guān)K1、市電充電開關(guān)K2;若蓄電池電量已達(dá)下限,而光伏發(fā)電量正常且能夠滿足負(fù)載所需,則閉合光伏充電開關(guān)K1;若蓄電池電量已達(dá)下限、光伏發(fā)電量無法滿足負(fù)載所需,且處于市電最低電價(jià)時(shí)間內(nèi),則閉合市電充電開關(guān)K2;若蓄電池電量已達(dá)下限、光伏發(fā)電量無法滿足負(fù)載所需,且并非處于市電最低電價(jià)時(shí)間內(nèi),則斷開光伏充電開關(guān)K1、市電充電開關(guān)K2。

(4) 分別計(jì)算光伏供電總開關(guān)KPV、蓄電池供電總開關(guān)KBAT、市電供電總開關(guān)KDC、第i個(gè)負(fù)載的光伏或蓄電池供電開關(guān)KPi、第i個(gè)負(fù)載的市電供電開關(guān)KDi的狀態(tài),并輸出各個(gè)開關(guān)的狀態(tài)。

(5) 返回步驟(2)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效益實(shí)例分析

根據(jù)上述功率分配方法,對小型家用光電互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行模型的搭建,結(jié)合一年四季的負(fù)載使用特點(diǎn),對負(fù)載使用情況進(jìn)行分類并選取典型情況對上述功率分配方法進(jìn)行驗(yàn)證?？紤]到夏季負(fù)載用電量最大,選用夏季晴天為例進(jìn)行分析,見表1所列。

對常用負(fù)載分為高優(yōu)先級和低優(yōu)先級兩大類,并將高優(yōu)先級定義為1,低優(yōu)先級定義為0,對同一優(yōu)先級下的多個(gè)負(fù)載也進(jìn)行優(yōu)先級劃分,編號越小的負(fù)載優(yōu)先級越高。考慮到電冰箱、電飯煲、空調(diào)是間斷性工作的,故以額定功率為依據(jù),折算出平均運(yùn)行功率,更貼合實(shí)際情況。

為了方便分析,假設(shè)光伏電池工作在線性區(qū),即忽略溫度、功率飽和等因素,輸出功率與輻照強(qiáng)度是正比關(guān)系。以合肥地區(qū)為例,對夏季晴天的典型輻照強(qiáng)度(水平面方向)和光伏系統(tǒng)輸出功率數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,見表2所列。

在充分考慮峰谷電價(jià)的前提下,進(jìn)行幾種方法供電效益比較。已知合肥地區(qū)民用電單價(jià)為:0.595 3元/kWh(8:00-22:00),其他時(shí)段為0.315 3元/kWh。如果單純使用市電,本例中全部負(fù)載日均消耗峰電量為7.064 kW,谷電量為5.471 kW,電費(fèi)為5.811元。

表1 夏季晴天負(fù)載用電情況

表2 夏季晴天的光伏系統(tǒng)工作情況

文獻(xiàn)[5]沒有明確衡量電能質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)；為了將其量化,取光伏發(fā)電量完全滿足負(fù)載功率時(shí)切換成光伏供電,不滿足時(shí)完全用市電供電,計(jì)算出本例中日均消耗光伏發(fā)電量為3.430 kW,峰電量為3.574 kW,谷電量為5.531 kW,由此計(jì)算出日均電費(fèi)為3.872元。

文獻(xiàn)[6]沒有充分考慮蓄電池儲(chǔ)能作用,在光伏系統(tǒng)最大輸出功率大于負(fù)載所需功率時(shí)用光伏供電,光伏系統(tǒng)最大輸出功率小于負(fù)載所需功

率時(shí)用光伏和市電互補(bǔ)供電,在光伏系統(tǒng)無法工作時(shí)完全由市電供電,計(jì)算出本例中日均消耗光伏發(fā)電量為3.819 kW,峰電量為3.185 kW,谷電量為5.531 kW,由此計(jì)算出日均電費(fèi)為3.640元。

本文提出的分配方法充分利用了光伏發(fā)電和蓄電池儲(chǔ)能。由表1可得晝夜負(fù)載耗電量為:

Q2=48×5+30×24+75×3+60×5+

130×5+200×1+500×10+600×2+

1 000×1+1 000×2+200×5=12 535 W·h。

由表2可得晝夜光伏發(fā)電總量為9 183 W·h,其中白天負(fù)載使用光伏電量為2 819 W·h,白天市電供電量為301 W·h,蓄電池白天儲(chǔ)能為6 364 W·h,考慮逆變器效率為90%,得到蓄電池可提供有效電能為6 364×90%=5 727.6 W·h。夜間市電供電量為:

12 535-2 819-5 727.6-301=

3 587.4 W·h。

因此,日均用電費(fèi)用為:0.595 3×0.301+0.315 3×3.587≈1.310元。

3種分配方法用電費(fèi)用比較見表3所列,表3中晝夜光伏發(fā)電總量為9 183W·h,其中蓄電池儲(chǔ)能為6 364W·h,由于受逆變器效率影響,不能完全利用,因此8.647kW·h為光伏發(fā)電總量實(shí)際可用瓦時(shí)數(shù)。

表3 3種分配方法用電費(fèi)用比較

5 結(jié) 論

本文綜合考慮了負(fù)載用電優(yōu)先級、光伏實(shí)時(shí)發(fā)電能力、市電峰谷電價(jià)、蓄電池儲(chǔ)能等要素,提出的光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)的功率自動(dòng)分配方法既大大提高了經(jīng)濟(jì)效益,又達(dá)到了低碳環(huán)保的效果,具有極高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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(責(zé)任編輯 張 镅)

An automatic power allocation method of photovoltaic/electricity complementary power supply system

LU Zhaoquan, HUA Hui， XIANG Weiwei

(School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to maximize the ratio of the input and output about photovoltaic complementary power supply system, a set of automatic allocation methods for power optimization is proposed based on the structure of a kind of photoelectric complementary power supply system. In order to describe the power supply capacity of photovoltaic cells， the power supply capacity matrix is presented. A priority matrix is established for the use of different loads. Considering the peak and valley price, a set of power optimization allocation algorithms is proposed which can achieve the fast, automatic and accurate control of the system. An example is given to verify that the proposed method can greatly improve the economic benefits of the photovoltaic complementary system.

photovoltaic complementary; power supply system; automatic power allocation; energy management

2015-12-07；

2016-03-07

合肥工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研校企合作資助項(xiàng)目(W2014JSKF0407)

魯照權(quán)(1962-),男,安徽廬江人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.07.011

TM615；TM761.22

A

1003-5060(2017)07-0917-05