基于微網(wǎng)技術(shù)的家庭光伏發(fā)電及能量管理系統(tǒng)

無錫馬丁格林光伏科技有限公司 ■ 陳曉高 熊保鴻

0 引言

分布式光伏發(fā)電是一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電和能源綜合利用方式，倡導(dǎo)就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換、就近使用的原則，不僅能有效提高同等規(guī)模光伏電站的發(fā)電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題[1]。此外，屋頂?shù)姆植际桨l(fā)電不僅不占地，而且可直接供給建筑內(nèi)的人、機器和設(shè)備。隨著電力需求的不斷增大、傳統(tǒng)能源的不斷減少，傳統(tǒng)電價必然會漲高。因此分布式光伏發(fā)電在不久的將來必然走進千家萬戶。分布式發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用將對電網(wǎng)運行、控制和電力市場等帶來新的機遇和挑戰(zhàn)，整合分布式發(fā)電系統(tǒng)、儲能元件和負載的微網(wǎng)技術(shù)將是解決大規(guī)模分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)問題的有效途徑之一[2]。本文從家庭能量綜合管理角度考慮[3]，提出一種基于微網(wǎng)技術(shù)的家庭光伏發(fā)電及能量管理系統(tǒng)，實現(xiàn)光伏能量的最優(yōu)化利用。

1 系統(tǒng)描述

該系統(tǒng)示意圖如圖1所示，主要包括光伏陣列、光伏儲能型雙向逆變器、能量管理器、智能電表、智能插座和可控型家庭負載。其中，能量管理器功能是采用無線WiFi與電力線載波(PLC)相結(jié)合的通信技術(shù)，通過采集記錄用電設(shè)備、光伏發(fā)電設(shè)備、儲能電池等的工作狀態(tài)對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進行長期而有效的監(jiān)控。通過優(yōu)化計算，分配家庭負載能量的合理使用，實現(xiàn)能量的最優(yōu)化利用；光伏儲能型雙向逆變器可解決光伏能量儲存問題，增強光伏發(fā)電的自發(fā)自用率。

1.1 光伏儲能型雙向逆變器

此設(shè)備在實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電的同時還可將多余光伏能量儲存到蓄電池，以供需要時(如晚上、陰雨天)使用；另外還可起到電力“消峰填谷”的部分作用。在電費昂貴的區(qū)域，可大幅提高光伏發(fā)電自發(fā)自用率，為客戶帶來更高投資回報率。

1.2 智能能量管理器

此設(shè)備為中央能量控制設(shè)備，采用WiFi和電力線載波PLC相結(jié)合的技術(shù)，可監(jiān)控光伏發(fā)電設(shè)備、儲能電池、智能電表、智能開關(guān)，以及各種家庭用電負載等的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。通過對監(jiān)控數(shù)據(jù)(如發(fā)電功率/發(fā)電量、各負載的用電情況等)的科學(xué)預(yù)測和分析，實施能量的優(yōu)化控制，以充分提高能量的使用率。

1.3 智能開關(guān)/插座

圖1為嵌入電力線載波PLC模塊的智能開關(guān)/插座，連接到此裝置的家庭負載會受到智能能量管理器的遠程控制。

圖1 基于微網(wǎng)技術(shù)的家庭光伏發(fā)電及能量管理系統(tǒng)

1.4 可控型家庭用電負載

通過連接到智能開關(guān)/插座，家庭負載(如電動汽車充電樁、洗衣機、熱水器、冰箱、高溫消毒柜等)可通過能量控制器進行集中優(yōu)化管理和控制，達到能量供需平衡，有效提高能量的自發(fā)自用率。

1.5 監(jiān)控系統(tǒng)

用來操作和配置能量管理器，可通過PC網(wǎng)頁瀏覽器、智能手機終端對控制器進行自定義配置。通過Web Server來查看光伏發(fā)電設(shè)備、儲能電池、智能電表、智能開關(guān)/插座，以及各種家庭用電負載的詳細情況。

2 系統(tǒng)能量控制方法及流程

太陽光伏陣列吸收太陽光照，通過光電轉(zhuǎn)換形成直流電，再經(jīng)過具有最大功率跟蹤控制(MPPT)的升壓電路升壓到某個恒定值，然后再經(jīng)過逆變控制電路轉(zhuǎn)換成符合國家電網(wǎng)要求的交流電能，供家庭負載使用。在智能能量管理器的采集、計算、分析作用下實現(xiàn)最優(yōu)的能量控制。系統(tǒng)的控制邏輯為：

1) 在太陽光充足(如中午)時，太陽所發(fā)能量優(yōu)先供給家庭負載使用，多余部分通過充/放電器儲存到蓄電池中；蓄電池充滿后，多余能量則并入市電，中間通過智能電表進行計費計量。

圖2 太陽光充足時的能量控制圖

2) 在太陽光不足(如早上或傍晚)時，太陽所發(fā)能量優(yōu)先供給家庭負載使用，不足部分將由蓄電池通過充/放電器進行發(fā)電，與光伏能量一起給家庭負載供電；蓄電池放電完畢后，不足部分再從市電進行補充，中間通過智能電表進行雙向計費計量。

圖3 太陽光不足時的能量控制圖

3) 在沒有太陽(如晚上)時，太陽能不再發(fā)電，家庭負載供電優(yōu)先由蓄電池通過充/放電器(003)進行放電，不足部分從市電(007)進行補充，中間通過智能電表(006)進行雙向計費計量。

圖4 沒有太陽光時的能量控制圖

4) 在市電突然掉電時，儲能型雙向逆變器自動切換到離網(wǎng)模式，確保家庭部分重要附件不間斷供電；市電恢復(fù)后，自動切換回并網(wǎng)模式。

圖5 市電突然掉電時的能量控制

3 實際系統(tǒng)運行結(jié)果及分析

以一個實際5 kWp家庭光伏儲能系統(tǒng)為例，驗證分析本文所闡述系統(tǒng)的優(yōu)勢。試驗系統(tǒng)的配置情況及家庭用電情況分別見表1和表2。

表1 試驗光伏系統(tǒng)配置

表2 試驗家庭用電情況

試驗中選取系統(tǒng)連續(xù)運行兩天(天氣非常接近)的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)、蓄電池儲能數(shù)據(jù)、家庭負載耗電數(shù)據(jù)，以及逆變器運行數(shù)據(jù)。其中，一天沒有智能能量優(yōu)化管理作用，其運行數(shù)據(jù)曲線如圖5a所示；另一天有智能能量優(yōu)化管理控制，其運行數(shù)據(jù)曲線如圖5b所示。

圖5 每日能量曲線

由圖5可知，在沒有能量優(yōu)化控制作用下，蓄電池在中午時間就已充滿，由于電網(wǎng)公司防逆流限制，下午時段有部分能量受到限功率，造成部分光伏能量流失；在有能量優(yōu)化控制作用下，通過對光伏發(fā)電及對家庭負載耗電的預(yù)測，光伏能量被充分利用，并且蓄電池也完全被緩和充滿，既保護了蓄電池，又大幅提高了自發(fā)自用率。

4 結(jié)論

本文從家庭能量綜合管理角度考慮，為分布式家庭光伏系統(tǒng)配置能量儲存及優(yōu)化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)光伏能量的最優(yōu)化利用，可為電網(wǎng)和用戶帶來經(jīng)濟、運行，以及環(huán)境上的利益。引入微電網(wǎng)運行的模式結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)，融合了儲能、電能質(zhì)量控制、功率流優(yōu)化控制、能量管理及遠程監(jiān)控，解決了分布式電源、儲能裝置與配電網(wǎng)之間的協(xié)同能量交換和功率控制技術(shù)問題，大大提高了能源利用效率、減少輸配電損失、減少用戶能源成本，還滿足智能電網(wǎng)下智能用電對技術(shù)先進、經(jīng)濟高效、服務(wù)多樣、靈活互動和友好開放的要求。

[1] 黃偉, 孫昶輝, 吳子平, 等. 含分布式發(fā)電系統(tǒng)的微網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2009, 33(9): 14 – 18.

[2] 李光濤. 微網(wǎng)技術(shù)在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用探討[J]. 技術(shù)研發(fā) , 2013, 20(5): 110 – 111.

[3] 章鹿華, 王思彤, 易忠林, 等. 面向智能用電的家庭綜合能源管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電測與儀表, 2010, 47(537): 35 – 38.