趙安軍，王鵬柱，荊競，高之坤，李旺

(1. 西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710055；3. 中國建筑西北設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710015)

0 引言

近年來，隨著新能源技術(shù)進步及國家政策扶持，以光伏發(fā)電為主的分布式能源系統(tǒng)得到了大量應(yīng)用，并且逐步進入家庭層面[1]。但是，光伏發(fā)電補貼政策逐年下調(diào)，光伏發(fā)電即將面臨平價上網(wǎng)，戶用光伏上網(wǎng)售電的優(yōu)勢被逐漸削弱[2]。此外，光伏出力具有隨機性和波動性，大規(guī)模接入配電網(wǎng)會對其安全運行造成不利影響[3]。因此，光伏容量配置的合理性直接影響家庭新能源系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，在規(guī)劃設(shè)計初期階段對其進行優(yōu)化配置研究尤為重要[4-5]。

目前，針對以光伏發(fā)電為主的農(nóng)村區(qū)域新能源系統(tǒng)容量配置問題已進行了大量研究[6-9]。文獻[6]針對并網(wǎng)型微電網(wǎng)的容量配置問題，基于現(xiàn)有的微電網(wǎng)內(nèi)光伏運行模式，建立綜合考慮微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性、可靠性以及可再生能源利用率的優(yōu)化配置模型，并使用改進的遺傳算法求解最優(yōu)配置結(jié)果；文獻[7]提出一種微電網(wǎng)源荷交互迭代協(xié)調(diào)的優(yōu)化配置方法，以解決獨立型微電網(wǎng)中源荷兩端引起的不確定性問題；文獻[8]針對含有分布式電源和儲能設(shè)備的多能互補系統(tǒng)容量優(yōu)化配置問題，基于全壽命周期理論，建立綜合考慮系統(tǒng)運行經(jīng)濟性和穩(wěn)定性的雙層優(yōu)化模型；文獻[9]針對鄉(xiāng)村地區(qū)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)容量配置問題，使用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法建立系統(tǒng)設(shè)備容量優(yōu)化模型，探索該系統(tǒng)的最優(yōu)配置容量以及最佳運行模式。

電動汽車（electric vehicle，EV）作為一種新型的儲能設(shè)備，以其高效、低碳的特點參與到新能源系統(tǒng)能量管理中，通過將其與新能源系統(tǒng)中的光伏出力有效結(jié)合，可以更好地平抑光伏發(fā)電隨機性、波動性對新能源系統(tǒng)帶來的影響，同時輔助配電網(wǎng)移峰填谷以降低用戶的用能成本[10-11]。文獻[12]針對含有EV的并網(wǎng)型光儲微電網(wǎng)的儲能容量配置問題，利用EV有序充電與儲能有效結(jié)合，并在EV側(cè)建立用戶技術(shù)接受度模型，探索微電網(wǎng)內(nèi)儲能的最優(yōu)配置容量；文獻[13]考慮EV的負載特性和移動儲能特性，提出微網(wǎng)內(nèi)EV有序充放電的能量管理策略，研究EV的能量管理策略對微網(wǎng)儲能容量配置結(jié)果的影響，并且評估其應(yīng)對系統(tǒng)風(fēng)險的能力。在農(nóng)村家庭層面，通常采用經(jīng)驗法確定該家庭的新能源系統(tǒng)配置容量。文獻[14]介紹了家庭光儲系統(tǒng)在當前市場下的需求現(xiàn)狀，分析了此系統(tǒng)常用的3種工作模式，并結(jié)合家庭的用能需求以及市場電價機制，給出了系統(tǒng)設(shè)備容量配置的簡易計算方法。

上述研究為新能源系統(tǒng)合理配置提供了可行的方法，但適用于農(nóng)村家庭層面的配置方法較少。一方面，農(nóng)村區(qū)域型新能源系統(tǒng)的負荷特性和EV使用需求均以該地區(qū)整體為研究對象，無法直接應(yīng)用于單戶農(nóng)村家庭；另一方面，在配置優(yōu)化過程中，EV的設(shè)備特性挖掘不充分，新能源系統(tǒng)能源利用率較低。為此，本文提出一種考慮電動汽車特性的農(nóng)村家庭光伏容量優(yōu)化配置方法，基于農(nóng)村家庭新能源系統(tǒng)用能場景，充分挖掘EV的移動儲能特性；根據(jù)市場電價機制和EV使用需求，將EV與光伏出力進行有效結(jié)合，并制定家庭新能源系統(tǒng)綜合運營模式；結(jié)合實際案例，對所提優(yōu)化配置方法進行實驗研究及分析。

1 農(nóng)村家庭新能源系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

并網(wǎng)型農(nóng)村家庭新能源系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)、EV以及家庭負載等組成。屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)包含光伏組件和光伏逆變器等部分。在該系統(tǒng)中，EV既是家庭負載，也可以作為儲能設(shè)備使用[15]，其既可以向電網(wǎng)購電（grid to vehicle，G2V），也可以向家庭負載供電（vehicle to home，V2H）。家庭新能源系統(tǒng)與低壓電網(wǎng)之間可實現(xiàn)電能的雙向流動。

圖1 家庭新能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Household new energy system structure

1.2 系統(tǒng)設(shè)備模型

1.2.1 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

光伏組件的發(fā)電功率大小與當?shù)氐奶栞椪諒姸?、室外溫度以及組件自身特性有關(guān)，單位光伏組件的輸出功率[16]為

式中：Ppv,DC為單位光伏發(fā)電功率；Vmppt為光伏組件最大功率點電壓；Imppt為光伏組件最大功率點電流；Voc為光伏組件的開路電壓；Isc為光伏組件的短路電流；Kv為電壓隨溫度變化系數(shù)；Ki為電流隨溫度變化系數(shù)；Tc為光伏面板溫度；r為太陽輻照強度；Ta為組件運行環(huán)境溫度；Not為電池工作溫度。

光伏組件發(fā)出的直流電需要使用逆變器將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡孀兤髂Ｐ蜑?/p>

式中：Ppv為光伏發(fā)電功率的標幺值；ηDC,AC為逆變器的能量轉(zhuǎn)化效率。

1.2.2 EV模型

將EV接入家庭新能源系統(tǒng)參與V2H，同時兼顧用戶使用EV出行的需求。因此，EV能量模型為

式中：E(d,t)、E(d,t-1)分別為第d天t時刻以及t-1時刻EV的電池電量；kbi、kbo分別為EV的充、放電效率；Pev(d,t)為第d天t時刻EV的充放電功率，充電為正，放電為負；z(d,t)為第d天t時刻EV在家狀態(tài)的變量，在家為1，離家為0；e為EV每公里的耗電量；c為單位出行時長的行駛里程；S(d,t)為第d天t時刻EV電池的荷電狀態(tài)；EN為EV電池的額定容量。

結(jié)合EV的電池屬性，其最大充放電功率[6]為

式中：Pmaxch(d,t)、Pmaxdis(d,t)分別為第d天t時刻EV的最大充電和放電功率；PN為EV額定充放電功率；Smin、Smax分別為EV電池荷電狀態(tài)的下限和上限。

1.2.3 等效負載模型

家庭新能源系統(tǒng)的等效負載模型為

式中：ΔP(d,t)為家庭新能源系統(tǒng)第d天t時刻的等效負載；Pload(d,t)為第d天t時刻的家庭電力負荷；Npv為光伏安裝功率。

2 家庭新能源系統(tǒng)經(jīng)濟優(yōu)化模型

2.1 綜合運營模式

目前，并網(wǎng)型光伏運營模式包括全額上網(wǎng)和自發(fā)自用、余電上網(wǎng)，本研究在上述運營模式的基礎(chǔ)上，將具備儲能特性的EV融入其中，并制定該家庭新能源系統(tǒng)的綜合運營模式。該模式將全天分為3個時段，包括峰電價且EV在家時段、峰電價且EV不在家時段以及谷電價時段。各時段的能量調(diào)節(jié)策略如下。

（1）峰電價且EV在家時段。若某一時刻等效負載小于0，即家庭用電功率小于光伏發(fā)電功率，可優(yōu)先將多余的發(fā)電功率儲存到EV中，若仍有剩余，則選擇上網(wǎng)售電；若某一時刻等效負載大于0，即家庭用電功率大于光伏發(fā)電功率，可優(yōu)先使用EV放電來滿足家庭用電需求，若仍無法滿足，則剩余部分向低壓電網(wǎng)購電。

（2）峰電價且EV不在家時段。若某一時刻等效負載小于0，可將光伏余電向低壓電網(wǎng)售出；若某一時刻等效負載大于0，則向低壓電網(wǎng)購電。

（3）谷電價時段。由于光伏發(fā)電上網(wǎng)的經(jīng)濟效益高于將其供給谷電時段負荷，因此此時段由低壓電網(wǎng)向家庭負載供電。若此時段EV電池的荷電狀態(tài)小于期望荷電狀態(tài)(expected state of charge,Sexpect)，即次日峰電價時段光伏發(fā)電量小于家庭負載用電量，則根據(jù)其差值進行谷電預(yù)充以滿足次日峰時段的電能供需平衡。

2.2 目標函數(shù)

圖2 系統(tǒng)綜合運營模式Fig. 2 System integrated operation model

3 模型求解

3.1 多目標處理

采用加權(quán)求和的方法對多個優(yōu)化目標進行處理，從而將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成單目標優(yōu)化問題。

式中：F1,max、F1,min、F2,max、F2,min分別代表年均用能成本以及自發(fā)自用率的最大、最小值；ω1和ω2為加權(quán)因子，且滿足ω1+ω2=1。

3.2 基于PSO的優(yōu)化模型求解

家庭新能源系統(tǒng)容量優(yōu)化配置實質(zhì)上是利用合適的算法在能源系統(tǒng)應(yīng)用的全生命周期中使得目標函數(shù)達到最佳狀態(tài)，從而探索多種能源的合理構(gòu)成，其是一個多目標、非線性問題，而元啟發(fā)式算法在解決此問題時能夠在包含高質(zhì)量解空間內(nèi)進行有效搜索。其中粒子群優(yōu)化算法（particle swarm optimization，PSO）是一種高效的元啟發(fā)式優(yōu)化算法，具有魯棒性強、參數(shù)少等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用到不同的優(yōu)化問題求解[20]。為此，本研究選擇PSO算法對家庭新能源系統(tǒng)容量配置方案進行尋優(yōu)。定義的決策變量為Npv，具體計算步驟如下。

步驟（1）：參數(shù)初始化，包括算法參數(shù)、氣象參數(shù)、光伏組件參數(shù)以及家庭用能需求等。

步驟（2）：初始化光伏安裝容量，即給每個粒子賦予初始位置，并計算系統(tǒng)年均用能成本和自發(fā)自用率。

步驟（3）：利用PSO算法對設(shè)備容量進行更新，即更新粒子位置，得到新的容量配置方案，并計算系統(tǒng)年均用能成本和自發(fā)自用率。

步驟（4）：判斷本次的系統(tǒng)年均用能成本和自發(fā)自用率是否優(yōu)于已有的較優(yōu)配置方案，若是，則使用本次的結(jié)果替代已有的較優(yōu)值，反之，不進行操作。

步驟（5）：反復(fù)重復(fù)步驟（3）和步驟（4），若達到最大迭代次數(shù)，則輸出最優(yōu)容量配置方案及其對應(yīng)的各項成本。

4 仿真實驗

4.1 案例描述

本文以河北省石家莊地區(qū)某農(nóng)村家庭為研究對象，結(jié)合該家庭的用能場景進行并網(wǎng)型家庭新能源系統(tǒng)容量優(yōu)化配置算例分析。為更好地體現(xiàn)光儲的時序性，選取2020年1—12月份的逐時太陽輻射強度、室外溫度以及該家庭電力負荷等實際數(shù)據(jù)進行案例分析，如圖3所示。該家庭為一戶6口之家，其全年用電量在石家莊農(nóng)村地區(qū)處于中等偏上水平，為2 986 kW·h。選取光伏最大安裝容量為5 kW，采用具有移動儲能特性的EV作為新能源系統(tǒng)的儲能裝置，EV相關(guān)數(shù)據(jù)在考慮用戶出行以及充放電特性的基礎(chǔ)上模擬得到。

圖3 典型氣象年數(shù)據(jù)曲線Fig. 3 Data curve of typical meteorological year

選擇某廠商的單晶硅光伏組件，其主要參數(shù)如表1所示。根據(jù)當前的市場行情，光伏組件的成本為1.7元/W；逆變器成本由式（12）求得，性能參數(shù)辨識結(jié)果如表2所示；光伏發(fā)電系統(tǒng)剩余材料的成本為546元/套，發(fā)電補貼為0.08元/(kW·h)，補貼年限和系統(tǒng)壽命均為20年。

表1 光伏組件主要參數(shù)Table 1 Main parameters of photovoltaic modules

表2 逆變器性能參數(shù)Table 2 Inverter performance parameters

EV參數(shù)設(shè)置如下。電池容量為24 kW·h，額定充放電功率為7 kW，電池荷電狀態(tài)的取值范圍為[0.3,0.95]，充放電效率分別為0.85、0.95，最大充放電次數(shù)為6 000次。

根據(jù)該地區(qū)用戶對優(yōu)化目標偏好程度的調(diào)查問卷結(jié)果，將ω1、ω2分別設(shè)置為0.7和0.3。該地區(qū)居民峰谷電價數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 居民峰谷電價Table 3 Resident peak and valley electricity prices

4.2 EV出行行為模擬

根據(jù)家庭用戶使用EV出行的調(diào)查情況，使用蒙特卡洛法[21]模擬用戶全年使用EV的出行行為，得出EV出行行為分布如圖4所示。此外，家庭用戶年均行駛里程為2 800 km左右，使用正態(tài)分布模擬用戶每天出行的行駛里程[22]，如圖4c)所示。

圖4 EV出行行為分布（1月份）Fig. 4 Electric vehicle travel behavior distribution(January)

4.3 案例結(jié)果及分析

利用PSO優(yōu)化算法對家庭新能源系統(tǒng)光伏安裝容量進行優(yōu)化求解，得到最優(yōu)配置收斂結(jié)果如圖5所示。可以看出，當?shù)螖?shù)達到18次左右時取得最優(yōu)結(jié)果，其中光伏安裝功率為2.73 kW，根據(jù)式（11）中光伏組件與逆變器的容配比，可求得逆變器的安裝功率為2.27 kW。

圖5 最優(yōu)配置收斂曲線Fig. 5 Optimal configuration convergence curve

為了驗證配置結(jié)果的有效性，使用以下4種不同的用能方案對家庭年均用能成本、自發(fā)自用率、回本年限進行評估及對比。方案1：傳統(tǒng)用能；方案2：安裝光伏，采用全額上網(wǎng)運營模式；方案3：安裝光伏，采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)運營模式；方案4：安裝光伏，使用EV儲能。EV在家時采取自發(fā)自用，余電儲能，剩余上網(wǎng)運營模式；EV離家時采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)運營模式。

不同方案下的結(jié)果對比如表4所示，可以看出，本文所提方案（方案4）相較于方案1，家庭年均用能成本降低了68.3%；相較于方案2、3，年均用能成本分別降低了35.9%、22.2%，回本年限分別縮短了26.2%、13.3%；相較于方案3，自發(fā)自用率提高了2倍左右。因此，本文所提方案與其他3種不同用能方案相比，在年均用能成本、自發(fā)自用率以及回本年限等方面均取得較大優(yōu)勢。為了更好地證明文中提出的光伏與EV結(jié)合（方案4）的有效性，對此優(yōu)化配置結(jié)果下家庭新能源系統(tǒng)的2個連續(xù)典型日（1月18日—19日）發(fā)用電變化情況，結(jié)果如圖6所示。

表4 不同方案下的結(jié)果對比Table 4 The designed electric power capacity of fan motors

圖6 典型日曲線分析Fig. 6 Typical daily curve analysis

可以看出，1月18日EV處于在家狀態(tài)，EV充電功率增長趨勢基本與光伏發(fā)電功率保持一致，可以更大程度發(fā)揮其儲能特性，在中午10:00—15:00時段，光伏發(fā)電量處于高峰，EV最大程度儲存電量，在18:00—22:00時段，光伏無發(fā)電量，此時優(yōu)先由EV向負載供電，將光伏發(fā)電余電有效轉(zhuǎn)移至家庭負載，充分發(fā)揮其柔性負載和移動儲能特性，使光伏發(fā)電量得到了最大化的自發(fā)自用。而1月19日EV在13:00—15:00時段有出行行為，此時家中無用于儲能的設(shè)備，光伏余電選擇上網(wǎng)售電，在其他時段，EV在家充當儲能電池。因此，無論EV有無出行行為，本文提出的能量管理策略都可以充分利用EV在家的時間，最大限度地提高系統(tǒng)能源利用效率，從而減少系統(tǒng)與低壓電網(wǎng)之間的購售電功率交互，使購售電曲線更大程度趨于平緩，有效降低家庭用能成本，同時可以有效實現(xiàn)削峰填谷，彌補無序充電造成更大峰谷差的缺點，有效避免電網(wǎng)因為峰谷差值造成的電網(wǎng)波動過大。

5 結(jié)論

本文分析了并網(wǎng)型農(nóng)村家庭新能源系統(tǒng)容量優(yōu)化配置問題，并將EV的移動儲能特性和當前光伏發(fā)電系統(tǒng)運營模式相結(jié)合進行多目標優(yōu)化配置求解，并以河北省石家莊地區(qū)某戶農(nóng)村家庭為例進行仿真實驗，結(jié)論如下。

（1）將EV與光伏發(fā)電運營模式進行結(jié)合，能有效提高家庭新能源系統(tǒng)能源利用效率，而且此過程充分考慮了用戶的出行需求，與傳統(tǒng)用能、光伏發(fā)電全額上網(wǎng)以及自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的運營模式相比，系統(tǒng)全壽命周期年均用能成本分別降低了68.3%、35.9% 、22.2%，在系統(tǒng)運行經(jīng)濟性上存在較大優(yōu)勢。

（2）家庭用能主要集中在晚高峰時段，而光伏發(fā)電主要在白天進行，導(dǎo)致用電結(jié)構(gòu)不匹配，而EV的柔性負載和儲能特性能大大提高光伏發(fā)電的自發(fā)自用率，使用電結(jié)構(gòu)更加合理，最大限度地減少家庭新能源系統(tǒng)與低壓電網(wǎng)之間的功率交互，維護電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

綜上所述，本文所提優(yōu)化配置方法綜合考慮了農(nóng)村家庭的用能特性，有效提高了家庭全壽命周期的用能經(jīng)濟效益，同時最大限度地維護電網(wǎng)穩(wěn)定運行，可為新農(nóng)村規(guī)劃提供參考。