趙為光，趙靜強(qiáng)，楊 瑩，凌澤昊

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

0 引 言

家用新能源是光伏發(fā)電發(fā)展的一個(gè)重要方向，太陽能資源分布廣泛，家庭能量管理系統(tǒng)為住宅用戶提供需求響應(yīng)，通過減少高峰負(fù)荷和將高峰小時(shí)需求轉(zhuǎn)移到非高峰時(shí)間來降低電力的發(fā)電成本，避免不必要的發(fā)電，優(yōu)化了家庭負(fù)荷匹配[1-4]。

文獻(xiàn)[5]提出了以余電充電比例因子為核心的協(xié)調(diào)調(diào)度策略,得到優(yōu)化調(diào)度方案并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。文獻(xiàn)[6]提出了一種實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法，依據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)中邊際成本等于邊際收益時(shí)綜合效益最大的原理制定實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案。文獻(xiàn)[7]計(jì)算分布式光伏電站的度電成本和收益,分析了并網(wǎng)電壓等級和電量消納方式對分布式光伏發(fā)電成本、收益的影響。文獻(xiàn)[8]采用隨機(jī)機(jī)會約束規(guī)劃建立分布式家庭并網(wǎng)光伏系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。

然而以上文獻(xiàn)都沒有考慮到多余發(fā)電量或者負(fù)荷所需的不足電量通過蓄電池和電網(wǎng)的分配比例的問題，也沒有考慮到光伏發(fā)電能夠減少碳排放產(chǎn)生環(huán)保收益的問題。該文通過傳統(tǒng)與優(yōu)化家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度策略的對比，針對家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，提出了2個(gè)決策變量因子，保證家庭用戶的經(jīng)濟(jì)收益最大；光伏發(fā)電減少二氧化碳的排放，繼而減少了除污成本，對環(huán)境有一定的保護(hù)作用，能夠得到環(huán)保收益。此文算例以家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)1天24小時(shí)為一個(gè)調(diào)度周期，建立了經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，證實(shí)該模型的確能提高家庭用戶的經(jīng)濟(jì)效益，不僅能優(yōu)化用電結(jié)構(gòu)得到家庭用戶最大收益，還能對電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行有效的“削峰填谷”，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。

1 傳統(tǒng)調(diào)度策略

現(xiàn)在越來越多的家庭用戶響應(yīng)國家號召，安裝了家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)大多使用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式。該模式是指光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電量主要是由用戶自己使用，多余電量饋入電網(wǎng)。

家庭光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由光伏電池，蓄電池和逆變器以及一些負(fù)載(如電視，空調(diào)、電熱水器等)所構(gòu)成。家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)將戶用光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)相連。白天在太陽光的照射下，光伏陣列產(chǎn)生的直流電流通過智能匯流箱，一部分對蓄電池進(jìn)行充電，一部分傳送到逆變器轉(zhuǎn)化為交流電，供給家庭負(fù)荷，剩余部分接入電網(wǎng)運(yùn)行；當(dāng)陽光不足時(shí)，蓄電池向逆變器送電，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電供家庭負(fù)荷使用，若蓄電池電量不足，此時(shí)需要電網(wǎng)對負(fù)荷供電。

圖1 家用新能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of family new energy system

常見的電價(jià)政策為峰谷分時(shí)電價(jià)，一般蓄電池在峰時(shí)段放電，谷時(shí)段充電。這樣的蓄電池充放電策略存在有很大的限制性。若峰時(shí)段的光伏發(fā)電量大于負(fù)荷所需電量，則此時(shí)有剩余電量，該部分剩余電量應(yīng)該存入蓄電池，即對蓄電池充電，與上述蓄電池在峰時(shí)段放電相矛盾。

這種傳統(tǒng)策略的實(shí)施有很大的隨機(jī)性和波動性，光伏陣列不具備調(diào)度自動化的功能，加大了電網(wǎng)控制與調(diào)度運(yùn)行的難度，容易導(dǎo)致蓄電池組過充、過放，無法充分發(fā)揮蓄電池的循環(huán)次數(shù)，減少它的使用壽命，進(jìn)而增加光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本，則本策略不適用。

2 優(yōu)化調(diào)度模型

為了解決傳統(tǒng)調(diào)度策略的局限性，考慮了光伏政策收入、售電收益、買電成本、系統(tǒng)的維護(hù)成本和蓄電池的折損費(fèi)用5種因素，給出了家用光伏發(fā)電系統(tǒng)儲能經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，優(yōu)化光伏發(fā)電量大于負(fù)荷的售電比例和光伏發(fā)電量小于負(fù)荷的買電比例。

2.1 決策變量

家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電量首先滿足家庭負(fù)荷，若光伏發(fā)電量大于負(fù)荷用電量，剩余的電量才會提供給蓄電池和電網(wǎng)；若光伏發(fā)電量小于負(fù)荷用電量，電量不足的部分由蓄電池和電網(wǎng)提供給家庭負(fù)荷。該文提出了2個(gè)決策變量因子(售電比例ω(t)和買電比例λ(t))在該系統(tǒng)中協(xié)作，ω(t)分配剩余電量并入電網(wǎng)的比例，λ(t)分配電量不足的部分由蓄電池和電網(wǎng)提供的比例。

2.2 光伏電池模型

光伏電池與輻射強(qiáng)度以及溫度有關(guān)，通過預(yù)測每天的太陽輻照強(qiáng)度，就可以估算出其產(chǎn)生的最大功率，光伏發(fā)電功率輸出為

式中：Ppv為光伏電池的輸出有功功率；fpv為光伏發(fā)電單元的功率因數(shù)；Ypv為光伏陣列的額定容量；GT為實(shí)際環(huán)境下太陽輻照強(qiáng)度；GTS為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的太陽輻照強(qiáng)度；αp為光伏電池板的功率溫度系數(shù)；TCS為光伏電池的溫度；TC為當(dāng)前光伏電池的溫度，為了便于計(jì)算，不考慮電池溫度的影響，在有光照時(shí)近似取47 ℃。

2.3 儲能蓄電池模型

蓄電池荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)是指電池使用一段時(shí)間后剩余電量Eremain與未使用前的蓄電池容量Enominal的比值，按照百分比表示蓄電池荷電狀態(tài)，其數(shù)學(xué)模型為[9]

2.4 目標(biāo)函數(shù)

1)能量優(yōu)化調(diào)度的時(shí)間為1天24 h，以分配售電比例ω(t)和買電比例λ(t)為優(yōu)化的決策變量因子，最終實(shí)現(xiàn)家庭用戶的最大化收益。家庭用戶在峰谷分時(shí)電價(jià)的政策下的收入為光伏政策補(bǔ)貼和售電收益，支出為買電成本、系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本和蓄電池的折舊成本，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

式中：C為家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)在1天內(nèi)的最終收益,將調(diào)度周期(1天)按小時(shí)劃分為T個(gè)階段；Csub(t)為家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)在t時(shí)段的光伏政策收入；Csell(t)為家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)賣電收入；Cbut(t)為家庭用戶買電費(fèi)用支出；COM(t)為光伏電池和蓄電池的運(yùn)行維護(hù)支出；Ccost,bat(t)為蓄電池的折舊支出；Pbuy(t)和Psell(t)為t時(shí)段家庭用戶從電網(wǎng)的購電量和賣入電網(wǎng)的售電量；C0為家庭用戶并網(wǎng)售電價(jià)格；Cprice為系統(tǒng)從電網(wǎng)的購電價(jià)格；PL(t)為t時(shí)段家庭負(fù)荷的用電量；ω(t)為家庭光伏發(fā)電量供給負(fù)荷以后多余的電量出售給電網(wǎng)的比例；λ(t)為家庭光伏發(fā)電量供給負(fù)荷不足的部分從電網(wǎng)購買的比例；k1和k2為光伏電池和蓄電池的運(yùn)行維護(hù)成本支出系數(shù)；nB為調(diào)度周期內(nèi)蓄電池總充放電轉(zhuǎn)換次數(shù)；Fscost為蓄電池一次轉(zhuǎn)換的折損費(fèi)用；FB為蓄電池的更換成本；CB為蓄電池標(biāo)況下額定充放電次數(shù)；F為光伏政策補(bǔ)貼。

2)光發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中沒有廢氣排放，不會對當(dāng)?shù)丨h(huán)境空氣質(zhì)量產(chǎn)生污染，是最清潔的能源之一。在建造光伏發(fā)電系統(tǒng)的過程中會損耗能量產(chǎn)生二氧化碳，所以應(yīng)該減去制造過程產(chǎn)生的二氧化碳2 525 kW·h，則環(huán)保收益為

CP=α(HtPpvPR·N-2525)EI

式中：CP為環(huán)保收益；α為二氧化碳折算系數(shù)，也可以叫除污成本；Ht為每年的峰值日照時(shí)數(shù)；Ppv為光伏系統(tǒng)功率；PR為系統(tǒng)綜合效率；N為壽命周期年數(shù)；EI為二氧化碳排放指數(shù)。

傳統(tǒng)的發(fā)電廠通過化石燃料如煤產(chǎn)生電能，同時(shí)產(chǎn)生對環(huán)境造成污染的氣體，產(chǎn)生的主要是CO2，需要對產(chǎn)生的污染氣體進(jìn)行除污才能將合格的氣體排出，因此傳統(tǒng)的發(fā)電廠會存在除污成本。然而光伏發(fā)電不會產(chǎn)生CO2，因此該環(huán)保收益就是節(jié)省的除污成本。

2.5 約束條件

2.5.1 荷電狀態(tài)約束

考慮到使用蓄電池期間的維護(hù)保養(yǎng)，延長蓄電池的使用壽命，因此要對蓄電池的儲能電量和充放電功率進(jìn)行約束。

SOCmin≤SOC≤SOCmax

上式防止了蓄電池過充和過放。為保證蓄電池的使用年限，規(guī)定蓄電池的荷電狀態(tài)為20%～90%，即SOCmin=0.2，SOCmax=0.9。

2.5.2 儲能充放電功率約束

蓄電池深度充放電會影響其使用年限，所以蓄電池的充電功率和放電功率不能超過其額定容量的20%，即

式中：E=20 kW·h，為蓄電池的額定容量；Δt為1 h。

2.5.3 分配比例約束

決策變量因子ω(t)和λ(t)是應(yīng)該優(yōu)化的變量，ω(t)分配光伏發(fā)電量供給負(fù)荷后的剩余電量、λ(t)分配光伏發(fā)電量供給負(fù)荷的不足電量，二者的約束范圍為

2.5.4 系統(tǒng)調(diào)度約束

當(dāng)家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量大于家庭負(fù)荷的用電量時(shí)，剩余光伏發(fā)電量部分就按照決策變量因子ω(t)對其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，約束為

Psell(t)=[Ppv(t)-PL(t)]ω(t)

Pcha(t)=[Ppv(t)-PL(t)][1-ω(t)]

當(dāng)家用新能源系統(tǒng)的發(fā)電量小于家庭負(fù)荷的用電量時(shí)，由決策變量因子λ(t)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，約束為

Pbuy(t)=[PL(t)-Ppv(t)]λ(t)

Pdis(t)=[PL(t)-Ppv(t)][1-λ(t)]

2.5.5 功率供需平衡約束

家用新能源系統(tǒng)應(yīng)滿足以下功率平衡式，約束條件為

PL(t)=Ppv(t)+Pbuy(t)+

Pdis(t)-Psell(t)-Pcha(t)

當(dāng)Ppv(t)>PL(t)時(shí)，就不需要從電網(wǎng)買電或者通過蓄電池放電了，即Pbuy(t)=0和Pdis(t)=0，約束條件為

PL(t)=Ppv(t)-Psell(t)-Pcha(t)

當(dāng)Ppv(t)

PL(t)=Ppv(t)+Pbuy(t)+Pdis(t)

2.6 優(yōu)化調(diào)度算法

遺傳算法不需要推導(dǎo)和附加信息，尋優(yōu)規(guī)則具有非確定性、自組織、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)性等特點(diǎn)，所以本算例中使用遺傳算法對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，運(yùn)算流程如圖2所示。

圖2 遺傳算法流程圖Fig.2 Flow chart of genetic algorithm

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

以某一家庭光伏發(fā)電用戶在1天24 h所需的負(fù)荷為例進(jìn)行分析。該家庭的光伏總裝機(jī)容量為8 kW,蓄電池的額定容量為20 kW。算例采用峰谷分時(shí)電價(jià)，峰時(shí)段(8∶00-22∶00)電價(jià)為0.58元/(kW·h),谷時(shí)段(22∶00-8∶00)電價(jià)為0.32元/(kW·h)。該地針對光伏發(fā)電國家補(bǔ)貼和當(dāng)?shù)匮a(bǔ)貼一共0.63元/(kW·h)。該地區(qū)脫硫燃煤標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)為0.3597元/(kW·h)。表1和表2為家庭光伏調(diào)度周期內(nèi)可間斷用電負(fù)荷和基本用電負(fù)荷的基本數(shù)據(jù)，表3為調(diào)度周期內(nèi)的太陽輻射強(qiáng)度，圖3為家庭用戶所需負(fù)荷曲線和光伏發(fā)電量曲線。

表1 可間斷用電負(fù)荷Table 1 Interruptible electricity load

表2 基本用電負(fù)荷Table 2 Essential electricity load

表3 調(diào)度周期內(nèi)的太陽輻射強(qiáng)度Table 3 Solar radiation intensity in dispatching period

從圖3可以看出，家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量主要集中在調(diào)度期的中間時(shí)刻，此時(shí)光伏發(fā)電量大于負(fù)荷用電量。家庭用戶的日負(fù)荷用電量在2個(gè)峰谷時(shí)段，上午和晚上為峰時(shí)段。

圖3 家庭用戶所需負(fù)荷和光伏發(fā)電量Fig.3 Load required by family users and photovoltaic power generation

3.2 結(jié)果分析

通過遺傳算法對該優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行求解，主要參數(shù)包括初始化種群數(shù)目為NP=50，染色體二進(jìn)制編碼長度為L=20,最大進(jìn)化代數(shù)為G=100，交叉概率pc=0.8以及變異概率pm=0.1。調(diào)度周期為1天24個(gè)小時(shí)，根據(jù)調(diào)度模型和約束條件，通過Matlab仿真尋優(yōu)，得到圖4分配比例因子ω的優(yōu)化曲線和圖5分配比例因子λ的優(yōu)化曲線。圖6為優(yōu)化調(diào)度策略下的經(jīng)濟(jì)方案。

圖4 ω的優(yōu)化曲線Fig.4 Optimization curve of ω

從圖3～5可以看出，0∶00-8∶00主要是比例因子λ起決定性作用，此時(shí)家庭負(fù)荷不足的電量需要從電網(wǎng)中獲得或者通過蓄電池放電滿足日常需求。0∶00-8∶00為谷時(shí)段電價(jià)0.32元/(kW·h)，此時(shí)應(yīng)該從電網(wǎng)中買入電量給負(fù)荷供電。9∶00-19∶00主要是比例因子ω起決定性作用，此時(shí)家庭光伏發(fā)電量大于家庭負(fù)荷所需的電量，除了提供給家庭日負(fù)荷以外盈余的部分需要賣給電網(wǎng)或者對蓄電池充電。從圖5可以看出，9∶00-19∶00盈余的電量大部分都賣給了電網(wǎng)，少部分對蓄電池進(jìn)行充電，用來維持晚上光伏發(fā)電不足時(shí)，蓄電池可以供應(yīng)家庭負(fù)荷。20∶00-22∶00時(shí)為峰時(shí)段電價(jià)0.58元/(kW·h)，電價(jià)較高，此時(shí)應(yīng)該由蓄電池放電供給家庭負(fù)荷，避免從電網(wǎng)中買入較高的電價(jià)。23∶00-24∶00主要是比例因子λ起決定性作用，光伏發(fā)電量為0，家庭負(fù)荷也比較少，且此時(shí)購買電價(jià)為0.32元/(kW·h)，則優(yōu)先從電網(wǎng)中購買電量提供給負(fù)荷。0∶00-8∶00為谷時(shí)段，此時(shí)的電價(jià)也比較低，該系統(tǒng)從電網(wǎng)中買電能節(jié)省電費(fèi)開支，在一定程度上能夠“填谷”；9∶00-19∶00是用電高峰期，該系統(tǒng)不從電網(wǎng)中獲取電量，不增加電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，還能供給電網(wǎng)，緩解了電網(wǎng)的壓力，在一定程度上達(dá)到了“削峰”的目的。

圖5 λ的優(yōu)化曲線Fig.5 Optimization curve of λ

圖6 優(yōu)化調(diào)度策略下的經(jīng)濟(jì)方案Fig.6 The economic scheme under optimized dispatching strategy

根據(jù)第1.1節(jié)的傳統(tǒng)調(diào)度策略，得到圖7傳統(tǒng)調(diào)度策略下的經(jīng)濟(jì)方案。從圖7可以看出，14∶00-18∶00有多余電量賣給電網(wǎng)，其余時(shí)間都是蓄電池充放電以保證家庭負(fù)荷的需求。蓄電池充放電次數(shù)過多，對蓄電池的損耗也比較大。在用電高峰期，大部分光伏發(fā)電量都存入了蓄電池，用電低谷期，大部分時(shí)段都是蓄電池供電，也不利于“削峰填谷”。

圖7 傳統(tǒng)調(diào)度策略下的經(jīng)濟(jì)方案Fig.7 The economic scheme under traditional dispatching strategy

通過優(yōu)化調(diào)度策略和傳統(tǒng)調(diào)度策略的對比，很容易發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化調(diào)度策略能夠改良家庭用戶用電的方式，有效地對電網(wǎng)進(jìn)行削峰填谷，不僅使用戶收益達(dá)到了最大化，還有效地緩解了電網(wǎng)的壓力。表4為2種調(diào)度策略下的經(jīng)濟(jì)效益對比。

表4 兩種調(diào)度模式的收益對比Table 4 Revenue comparison of two dispatching modes

光伏發(fā)電是值得大力推廣的清潔能源,家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)有效地減少了CO2的排放，節(jié)省了除污成本，節(jié)約了對環(huán)境保護(hù)的成本，環(huán)保收益為37.156元。

4 結(jié) 語

在峰谷電價(jià)的基礎(chǔ)上，對家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型進(jìn)行了研究，引入售電比例ω和買電比例λ這2個(gè)決策變量比例因子，通過合理分配售電和買電的比例，利用遺傳算法對模型進(jìn)行尋優(yōu)求解。結(jié)果表明,所研究家庭用戶的優(yōu)化調(diào)度比傳統(tǒng)調(diào)度得到的收益更多，能夠節(jié)約家庭開支；優(yōu)化了用電結(jié)構(gòu)，能夠在峰時(shí)段供給電網(wǎng)，在谷時(shí)段大量減少電網(wǎng)電量，減輕了電網(wǎng)的壓力，提高了電網(wǎng)的供電可靠性，驗(yàn)證了該優(yōu)化研究的正確性。