曾 武, 孟詩(shī)涵, 楊睿賢

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 200240)

0 引 言

國(guó)家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示,2017年光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量5 306萬kW,居可再生能源之首,遠(yuǎn)超風(fēng)電(1 503 kW)、水電(900萬kW)、生物發(fā)電(274萬kW),顯示光伏產(chǎn)業(yè)的重要性。為鼓勵(lì)光伏產(chǎn)業(yè)的健康、有效發(fā)展,國(guó)家頒布一系列扶持政策,因此光伏產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前景廣闊。

隨著可再生能源的興起,光伏發(fā)電技術(shù)不斷成熟,其應(yīng)用方式越來越豐富。因此,如何充分利用太陽(yáng)能,制定高效的能量管理策略引起廣泛的關(guān)注。能量管理策略是指運(yùn)行在能量管理系統(tǒng)(Energy Management System,EMS)上的方法,以最小的成本保證供電的安全性以及用電的經(jīng)濟(jì)性。其影響因素來自各個(gè)方面,包括供電側(cè)的光伏功率及電價(jià)、蓄電池儲(chǔ)能、轉(zhuǎn)換效率、需求側(cè)的負(fù)荷等。

目前,分布式光伏發(fā)電站采用“全額上網(wǎng)”和“余量上網(wǎng)”兩種不同的經(jīng)濟(jì)模式。有關(guān)學(xué)者分析計(jì)算后得出,“余量上網(wǎng)”相比“全額上網(wǎng)”經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)。在“余量上網(wǎng)”經(jīng)濟(jì)模式下有多種能量管理策略,有的策略沒有引入蓄電池儲(chǔ)能,有的沒有將時(shí)間因素納入考慮范圍,沒有預(yù)測(cè)規(guī)劃,均未達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。

文獻(xiàn)[1]指出家用負(fù)載可分為剛性負(fù)載、可調(diào)負(fù)載和可減負(fù)載?？烧{(diào)負(fù)載如洗衣機(jī)和洗碗機(jī),可以設(shè)置啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)間,達(dá)到錯(cuò)峰運(yùn)行的效果;可減負(fù)載如空調(diào),用戶可以在不十分影響舒適度的情況下通過設(shè)置溫度以達(dá)到減小負(fù)載的效果。

文獻(xiàn)[2-4]詳細(xì)介紹V2G(Vehicle-to-grid)的概念,即當(dāng)混合電動(dòng)車或純電動(dòng)車不在運(yùn)行時(shí)可以將電池的能量傳送到電網(wǎng),反之當(dāng)電動(dòng)車的電池需要充滿時(shí),電池可以從電網(wǎng)獲取電能。文獻(xiàn)[5]提出Vehicle-to-home的概念,即電動(dòng)汽車中的鋰電池可作為儲(chǔ)能裝置并入家庭中,具有合理性。未來發(fā)展的趨勢(shì)是,光儲(chǔ)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能投資所占比重越來越少。

有關(guān)學(xué)者關(guān)注電力系統(tǒng)中負(fù)荷和發(fā)電量的預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[6]利用灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)未來負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè),并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果采用馬爾科夫鏈方法進(jìn)行改進(jìn),但預(yù)測(cè)結(jié)果僅為相對(duì)殘差區(qū)間和概率的組合,而非具體數(shù)值。文獻(xiàn)[7]提出一種以馬爾科夫方法進(jìn)行修正誤差的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型,適合于波動(dòng)性較大的隨機(jī)序列預(yù)測(cè)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居,表現(xiàn)為利用信息傳感設(shè)備(同居住環(huán)境中的各種物品松耦合或緊耦合)將家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合,并與互聯(lián)網(wǎng)連接,進(jìn)行監(jiān)控、管理信息交換和通信,實(shí)現(xiàn)家居智能化[8]。通過物聯(lián)網(wǎng)交換信息,將光伏發(fā)電控制系統(tǒng)融入智能家居,能夠方便地進(jìn)行預(yù)測(cè)、規(guī)劃和算法設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有的研究大都集中在海島獨(dú)立的風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)和工業(yè)側(cè)光儲(chǔ)系統(tǒng)建模和經(jīng)濟(jì)性分析方面[9],已經(jīng)商業(yè)化的能源管理策略則側(cè)重于電路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及控制的穩(wěn)定性[10],少有結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化。本文結(jié)合上海某居民安裝系統(tǒng),制定更加經(jīng)濟(jì)的光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)能量管理策略,具有實(shí)用價(jià)值。

1 前提及基本假設(shè)

以日為單位,將時(shí)間作為變量納入考慮范圍,整個(gè)光儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)于太陽(yáng)能、電池儲(chǔ)能和電網(wǎng)回饋應(yīng)存在最優(yōu)的利用方式和控制方式。以下列出一些考慮因素和基本假設(shè)。

1.1 光照條件

上海地區(qū)不同季節(jié)每日分時(shí)輻照強(qiáng)度如圖1所示,一年四季中輻照強(qiáng)度最大時(shí)刻均出現(xiàn)在每日11∶00～14∶00時(shí)段。上海地區(qū)每月日均峰值輻照強(qiáng)度如圖2所示,可見夏季輻照強(qiáng)度約為冬季的2倍,整體輻照強(qiáng)度情況良好。

圖1 上海地區(qū)不同季節(jié)每日分時(shí)輻照強(qiáng)度

圖2 上海地區(qū)每月日均峰值輻照強(qiáng)度

此外,紫外線指數(shù)能在很大程度反映光照強(qiáng)度,能夠方便地通過物聯(lián)網(wǎng)從中國(guó)氣象局獲取,可作為預(yù)測(cè)使用的重要指標(biāo)。

1.2 居民用戶電價(jià)

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)上海市電力公司的最新數(shù)據(jù),居民用戶的電價(jià)水平分為3個(gè)梯度。

(1) 年用電量在3 120 kWh以內(nèi)的用戶,峰時(shí)段(6∶00～22∶00)電價(jià)為0.617元/kWh,谷時(shí)段(22∶00～次日6∶00)電價(jià)為0.307元/kWh。

(2) 年用電量在3 120～4 800 kWh之間的用戶,峰、谷時(shí)段電價(jià)分別為0.677元/kWh和0.337元/kWh。

(3) 年用電量在4 800 kWh以上的用戶,峰、谷時(shí)段電價(jià)分別為0.977元/kWh和0.487元/kWh。

1.3 分布式光伏上網(wǎng)電價(jià)

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)的相關(guān)政策,分布式光伏電站主要有全額上網(wǎng)、自發(fā)自用余電上網(wǎng)兩種發(fā)電模式。暫不考慮戶用扶貧,上海市全額上網(wǎng)的電價(jià)為0.75元/kWh,余電上網(wǎng)的電價(jià)計(jì)算如下。

光伏發(fā)電裝置投入使用后的前5年上網(wǎng)電價(jià):上海燃煤標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)(0.415 5元/kWh)+國(guó)家補(bǔ)貼(0.37元/kWh)+上海地區(qū)補(bǔ)貼(0.4元/kWh)=1.185 5元/kWh;5年后上網(wǎng)電價(jià)為(0.415 5+0.37)元/kWh=0.785 5元/kWh。

1.4 分布式光伏電站裝機(jī)容量Ppv及投資Cpv

1 kW裝機(jī)容量需投資約1萬元,需占安裝面積10 m2。對(duì)于獨(dú)棟房住戶,光伏裝機(jī)容量可達(dá)6 kW以上。容量6 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)日發(fā)電功率如圖3所示?？梢姽夥娬救瞻l(fā)電功率對(duì)光照條件依賴性非常強(qiáng),有效時(shí)段為8∶00～17∶00,午后光照條件最佳。對(duì)于單元房住戶,有效光伏面積是制約光伏投資的主要因素。

圖3 容量6 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)日發(fā)電功率

1.5 家用負(fù)載

文獻(xiàn)[11]對(duì)上海某居民小區(qū)一住戶的用電信息進(jìn)行連續(xù)1個(gè)月的實(shí)測(cè),居民日負(fù)荷曲線如圖4所示,虛線表示工作日居民用電負(fù)荷,實(shí)線表示周末居民用電負(fù)荷。

圖4 居民日負(fù)荷曲線

1.6 儲(chǔ)能方式

國(guó)內(nèi)主要使用的鋰電池包括三元電池和磷酸鐵鋰電池,國(guó)外可使用更先進(jìn)的特斯拉能量墻(Powerwall)電池。也可將新能源汽車,如電動(dòng)自行車、電動(dòng)車的車載電池作為儲(chǔ)能裝置加入家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)中,減小蓄電池的前期投資,增加應(yīng)用方式。

2 能量管理策略

綜合上述分析,得出如下結(jié)論,明確制定新能量管理策略的基礎(chǔ)和條件。

(1) 家用負(fù)載情況有一定的規(guī)律性和可控性,可通過調(diào)節(jié)可調(diào)負(fù)載和可減負(fù)載來優(yōu)化。

(2) 發(fā)電量與光照條件緊密相關(guān)。在能量管理中需考慮天氣因素,進(jìn)而對(duì)發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測(cè)及使用規(guī)劃。

(3) 國(guó)家和地區(qū)補(bǔ)貼能夠及時(shí)發(fā)放,落實(shí)政策。

能量管理的最終目標(biāo)是最大限度地利用光伏發(fā)出電能,同時(shí)獲得更優(yōu)的利潤(rùn)。而傳統(tǒng)能量管理策略仍存在一定缺陷,經(jīng)濟(jì)性不高。

2.1 傳統(tǒng)能量管理策略

光儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 光儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光儲(chǔ)系統(tǒng)由光伏組件、蓄電池、負(fù)載等組成,同時(shí)與電網(wǎng)有交互,存在多個(gè)工況。傳統(tǒng)能量管理策略工況切換如圖6所示,其中PPV為光伏發(fā)電量,PLoad為負(fù)載消耗量,SOC(State of Charge)為電池荷電狀態(tài)。工況1,孤島運(yùn)行,光伏發(fā)電;工況2,并網(wǎng)運(yùn)行,網(wǎng)側(cè)變換器逆變;工況3,孤島運(yùn)行,電池供電;工況4,并網(wǎng)運(yùn)行,網(wǎng)側(cè)變換器整流。

工況之間的切換條件:若SOC>95%,電池處于基本滿電狀態(tài)時(shí),從工況1的光伏發(fā)電切換到工況2,并網(wǎng)運(yùn)行,將光伏發(fā)出的多余電量上網(wǎng)。若光伏發(fā)電量小于負(fù)載消耗量(PPVPLoad),則再次回到工況1,孤島運(yùn)行,給電池充電。因此,供電優(yōu)先級(jí)為光伏、電池、電網(wǎng)。

圖6 傳統(tǒng)能量管理策略工況切換

此種余量上網(wǎng)模式引入蓄電池作為儲(chǔ)能元件,使光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)更具穩(wěn)定性。通過并網(wǎng)售賣電量盈利,光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性。這種經(jīng)濟(jì)模式依賴電網(wǎng),給電網(wǎng)帶來不必要的負(fù)擔(dān),在光伏發(fā)電量不足的情況下仍需電網(wǎng)實(shí)時(shí)供電。

2.2 新能量管理策略

引入了時(shí)間因素,考慮光照條件、負(fù)載情況、蓄電池存儲(chǔ)容量、電價(jià)等隨時(shí)間發(fā)生變化的因素,提出新的能量管理策略。新能量管理策略工況切換如圖7所示。

圖7 新能量管理策略工況切換

圖7中,工況之間的切換條件為PPV和PLoad的大小關(guān)系以及時(shí)間因素。在谷時(shí)段(22∶00至次日6∶00)以工況4運(yùn)行,電網(wǎng)給負(fù)載供電,網(wǎng)側(cè)變換器整流,給蓄電池充電。6∶00過后由工況4切換至工況3,孤島運(yùn)行,由蓄電池輔助供電。此時(shí)若PPV>Pload,則由工況3切換至工況2,網(wǎng)側(cè)變換器逆變,將光儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)出的多余電量上網(wǎng)。若PPV

相比之前的能量管理策略,新能量管理策略在考慮時(shí)間因素后供電的優(yōu)先級(jí)不再為光伏、電池、電網(wǎng),而是在電價(jià)低谷時(shí)段主動(dòng)選擇由電網(wǎng)供電,即電池的荷電狀態(tài)不再為工況轉(zhuǎn)換的依據(jù),可以避免電池過量放電,有利于延長(zhǎng)電池的使用壽命。同時(shí),減少一種工況,使控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔。

提出的能量管理策略具體闡述如下:

(1) 家用光伏電站采取自發(fā)自用,余電上網(wǎng)的發(fā)電模式。

(2) 每天利用物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)獲取次日的天氣信息,根據(jù)典型光照曲線及天氣信息生成發(fā)電量預(yù)測(cè)曲線。同時(shí),根據(jù)智能家居日常使用情況數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)可調(diào)負(fù)載,合理安排次日的負(fù)載運(yùn)行時(shí)段,使其匹配光伏發(fā)電預(yù)測(cè)曲線,進(jìn)而控制晚間蓄電池放電深度及SOC,從而延長(zhǎng)電池使用壽命[12]。22∶00后以谷時(shí)段電價(jià)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

(3) 蓄電池可由家中電動(dòng)交通工具中的蓄電池聯(lián)合組成。在光伏規(guī)模足夠的情況下采用建設(shè)充電樁以快充的方式銷售多余電量,其經(jīng)濟(jì)性高于并網(wǎng)上電。

(4) 記錄次日實(shí)際使用情況與預(yù)測(cè)曲線及使用情況的偏差,利用灰色預(yù)測(cè)或馬爾科夫等預(yù)測(cè)模型對(duì)預(yù)測(cè)算法進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)最大化的目的。

這種能量管理策略工況明確,切換條件簡(jiǎn)單,充分發(fā)揮蓄電池的儲(chǔ)能作用,應(yīng)用方式多樣,經(jīng)濟(jì)性高;同時(shí)記錄使用數(shù)據(jù),個(gè)性化地匹配用戶的使用習(xí)慣,增強(qiáng)智能家居的舒適度及體驗(yàn)感;適當(dāng)充放電對(duì)電池起到養(yǎng)護(hù)作用,也減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊,起到削峰填谷的均衡作用。

3 應(yīng)用模型的建立及實(shí)例分析

3.1 應(yīng)用模型建立及分析

家用獨(dú)立光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)的成本包括前期裝置投入、維護(hù)成本以及折舊成本。由于家用獨(dú)立光儲(chǔ)系統(tǒng)規(guī)模較小,維護(hù)成本可以忽略不計(jì),折舊采用直線折舊法,殘值為5%。

余量上網(wǎng)戶用分布式收益包括快速充電收費(fèi)、上網(wǎng)電量收益、環(huán)境收益。在光伏發(fā)電量過剩且電池充滿的情況下,可采用為電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車等快速充電收費(fèi)來充分利用能源。上網(wǎng)電量收益包括國(guó)家、上海市兩級(jí)補(bǔ)貼和標(biāo)桿電價(jià)收入以及節(jié)省下來的電費(fèi)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來看,光伏發(fā)電裝置緩解了日益短缺的化石燃料危機(jī),也不會(huì)產(chǎn)生污染物,可量化為環(huán)境收益。

3.2 實(shí)例分析

上海市閔行區(qū)某戶居民的光伏裝機(jī)容量為4 kW,光伏組件初始投資成本約為35 000元,理論使用年限25年,不考慮資金時(shí)間價(jià)值時(shí)折合到日投資為3.8元。蓄電池為2塊48 V 60 Ah磷酸鐵鋰電池,成本約為6 000元,100%放電深度情況下循環(huán)壽命約為1 500次(容量衰減至80%)。每2天充放電1次,則鋰電池組使用年限為8年,折合到日投資為2元。該用戶日平均用電量約為7 kWh,峰時(shí)段用電約為5 kWh,谷時(shí)段用電約為2 kWh,年用電量在3 120 kWh以內(nèi),因此峰、谷時(shí)段電價(jià)分別為0.617元/kWh和0.307元/kWh。相關(guān)參數(shù)取值如表1所示。

表1 相關(guān)參數(shù)取值

3.2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)只有并網(wǎng)運(yùn)行的兩種工況,在PV輸出功率小于負(fù)載功率時(shí)向電網(wǎng)要電,在PV輸出功率大于負(fù)載功率時(shí)向電網(wǎng)饋電。設(shè)一天的有效日照時(shí)間為t,峰時(shí)段平均用電功率為300 W,前5年日收入為

5年后日收入為

3.2.2 傳統(tǒng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)

傳統(tǒng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)有4種工況,在有效光照時(shí)間內(nèi)光伏發(fā)出的電量為蓄電池充電,再饋入電網(wǎng)。蓄電池的電量在峰時(shí)段繼續(xù)維持家用負(fù)荷。分兩種情況討論:當(dāng)有效光照時(shí)間足夠時(shí),光伏發(fā)電將蓄電池充電至5 kWh,再向電網(wǎng)饋電;當(dāng)有效光照時(shí)間不足時(shí),光伏發(fā)電無法將蓄電池充滿。

當(dāng)t≥Wbat/Ppv時(shí),前5年日收入為

當(dāng)t

p2=tPpv(Cpeak+Cnation+Clocal)-CPV-Cbat

當(dāng)t≥Wbat/Ppv時(shí),5年后日收入為

當(dāng)t

3.2.3 采用優(yōu)化能量管理策略的光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)

采用能量管理策略后,在前一晚給蓄電池充入(Wpeak-tPavg)的電量,滿足峰時(shí)段用電需求,同時(shí)光伏發(fā)出的余電(tPpv-tPavg)全部上網(wǎng)。

前5年日收入為

5年后日收入為

3.3 結(jié)果分析比較

使用MATLAB分別作出5年內(nèi)和5年后日利潤(rùn)隨日光照時(shí)間的曲線,分別如圖8、圖9所示。

圖8 5年內(nèi)日利潤(rùn)隨日光照時(shí)間的曲線

圖9 5年后日利潤(rùn)隨日光照時(shí)間的曲線

由圖8、圖9可知,光伏系統(tǒng)日利潤(rùn)曲線在傳統(tǒng)光儲(chǔ)系統(tǒng)日利潤(rùn)曲線之上,說明加入蓄電池后光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性不一定能夠提高,原因是光伏發(fā)電規(guī)模較小時(shí),蓄電池成本在整個(gè)投資成本中占比較高,如不采用適當(dāng)?shù)哪芰抗芾聿呗?其經(jīng)濟(jì)性不如光伏系統(tǒng)。而在采用經(jīng)優(yōu)化的能量管理策略后,光儲(chǔ)系統(tǒng)產(chǎn)生的日利潤(rùn)顯著提高,高于其他兩種方式。從宏觀上看,蓄電池在電力系統(tǒng)中起著削谷平峰的作用,改善供電質(zhì)量,加強(qiáng)光伏系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性,環(huán)境收益不可估量。

根據(jù)圖2,上海每年日均峰值輻照時(shí)間為3.81 h,則5年內(nèi)平均日收入為22.46元,日利潤(rùn)為16.66元;5年后平均日收入為14.82元,日利潤(rùn)為9.02元。投資及凈現(xiàn)金流量數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知,采用能量管理策略的光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)5年共可收入40 990元,即基本收回投資成本。對(duì)于全額上網(wǎng)的發(fā)電模式,平均日收入為4×3.81×0.75元=11.43元,需要8年以上的投資回收期。

表2 投資及凈現(xiàn)金流量數(shù)據(jù) 元

此外,在上海某小區(qū)附近的充電停車場(chǎng)中進(jìn)行實(shí)地調(diào)查,其直流充電費(fèi)用為1.44～1.70元/kWh,相對(duì)于5年內(nèi)上網(wǎng)收益高出20%～40%,相對(duì)于5年后上網(wǎng)收益高出近1倍。而根據(jù)文獻(xiàn)[13]中對(duì)消費(fèi)者購(gòu)買意愿與折扣關(guān)系的調(diào)查,折扣達(dá)到9折時(shí),存在購(gòu)買意愿的人群比例達(dá)到30%,8折時(shí)達(dá)到近80%。因此,通過建立充電樁將蓄電池儲(chǔ)存的多余電量進(jìn)行售賣,能夠最大化光伏發(fā)電的收益,同時(shí)保證5年后的收益仍能維持在較高水平。

綜上所述,提出的能量管理策略經(jīng)濟(jì)效果顯著。

4 結(jié) 語

提出一種能量管理策略,綜合考慮光照條件、負(fù)載情況、蓄電池充放電情況和峰谷電價(jià)因素,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的谷價(jià)蓄電方法。與傳統(tǒng)能量管理策略相比,提出的能量管理策略可以提升發(fā)電利潤(rùn)25%,通過構(gòu)建光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)并進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證,證明能量管理策略的有效性。