接入可再生能源家庭能耗優(yōu)化策略研究

林 峰，宋 楠，舒少龍（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

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接入可再生能源家庭能耗優(yōu)化策略研究

林 峰，宋 楠，舒少龍
（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

摘 要：在家庭中引入可再生能源并對(duì)家庭能耗進(jìn)行調(diào)度是家庭節(jié)能的兩個(gè)有效措施。本文以擁有光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池儲(chǔ)能設(shè)備和各種家用電器的家庭為對(duì)象，研究家庭能耗優(yōu)化策略。具體地，以用電費(fèi)用少和蓄電池切換次數(shù)少為調(diào)度目標(biāo)，建立家庭能耗管理優(yōu)化模型；采用粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行求解。仿真結(jié)果表明計(jì)算得到的調(diào)度策略可以實(shí)現(xiàn)蓄電池切換次數(shù)少和顯著減少用電費(fèi)用兩個(gè)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)電價(jià)；光伏發(fā)電系統(tǒng)；蓄電池；粒子群算法；用電費(fèi)用

1　引 言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著全球經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，人們的生活水平日益提高，對(duì)電力的需求也在不斷增加［1］。發(fā)電端在應(yīng)對(duì)電力供應(yīng)不足的同時(shí)帶來(lái)了很多環(huán)境污染問題，所以研究在用電側(cè)如何采取措施以節(jié)約能耗具有重要的意義。

在家庭中引入可再生能源和對(duì)用電側(cè)進(jìn)行電力需求管理是節(jié)約能耗的兩大有效措施［2］。由于可再生能源發(fā)電具有間歇性，其能源輸出與用戶能源需求在時(shí)間上并不完全匹配，需在家庭內(nèi)部引入蓄電池參與能源調(diào)度［3～4］。智能家居能耗管理系統(tǒng)能夠制定相關(guān)策略優(yōu)化家用電器的能源消耗結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。實(shí)時(shí)電價(jià)也是電力系統(tǒng)需求側(cè)管理的有效機(jī)制。本文從引入可再生能源、在實(shí)時(shí)電價(jià)背景下對(duì)家庭能耗管理及考慮蓄電池切換次數(shù)三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)能耗節(jié)約。

2　家庭能耗分析

本文研究對(duì)象為安裝了光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池且具有各種家用電器的家庭，太陽(yáng)能電池板和蓄電池分別通過并網(wǎng)逆變器并入電網(wǎng)運(yùn)行，市電采用實(shí)時(shí)電價(jià)進(jìn)行計(jì)費(fèi)并且用戶可以向電網(wǎng)有償饋電。

針對(duì)本文研究對(duì)象，有以下幾點(diǎn)說明：

（1）假設(shè)電力公司能夠提前24小時(shí)向用戶提供電價(jià)信息。

（2）接下來(lái)一天光伏發(fā)電系統(tǒng)在各個(gè)時(shí)段的發(fā)電量能夠被預(yù)測(cè)。

（3）該系統(tǒng)在每天零點(diǎn)根據(jù)用戶參數(shù)輸入對(duì)接下來(lái)一天家庭內(nèi)部能源進(jìn)行調(diào)度，以δ=0.5 h 為1個(gè)時(shí)段，時(shí)段總數(shù)L =48。

家庭能耗情況，由能量守恒定律有：

3　家庭能耗建模

3.1蓄電池模型

其中：τ為蓄電池自放電率（τ=0.002 /δ）；αC、αD分別為單位時(shí)間充放電最大比例；ηC、ηD分別為蓄電池充放電效率；Smin、Smax分別為蓄電池剩余電量最小值和最大值。

3.2家用電器模型

我們將家庭內(nèi)部所有家用電器分為三類：運(yùn)行時(shí)段可調(diào)度用電器、運(yùn)行功率可調(diào)度用電器及不可調(diào)度用電器。洗衣機(jī)、電飯煲、洗碗機(jī)、烘干機(jī)、家庭清潔機(jī)器人與混合能源動(dòng)力汽車為運(yùn)行時(shí)段可調(diào)度用電器，可在設(shè)定調(diào)度時(shí)段區(qū)間內(nèi)選擇合適的運(yùn)行時(shí)段，降低用戶購(gòu)電費(fèi)用?？照{(diào)與熱水器運(yùn)行時(shí)段的改變對(duì)用戶舒適度影響很大，但可調(diào)節(jié)這兩類家用電器的運(yùn)行功率，在滿足用戶舒適度的情況下降低用戶購(gòu)電費(fèi)用。其余四種家用電器屬于不可調(diào)度用電器，冰箱一天24小時(shí)運(yùn)行，節(jié)能燈、電視機(jī)和電腦的使用具有很大的隨機(jī)性，本文根據(jù)用戶日常習(xí)慣計(jì)算其各個(gè)時(shí)段的用電數(shù)據(jù)。

3.2.1運(yùn)行時(shí)段可調(diào)度用電器模型

設(shè)A為運(yùn)行時(shí)段可調(diào)度用電器集合，其中每個(gè)家用電器設(shè)為a∈A。我們以0.5h為1個(gè)時(shí)段，那么一天時(shí)段的數(shù)量L =48，設(shè)調(diào)度時(shí)段向量L =［1，…，L］，定義能源消費(fèi)調(diào)度向量ea為：

用αa表示家用電器a調(diào)度開始時(shí)段，βa表示調(diào)度結(jié)束時(shí)段，則αa，βa∈［1，48］并且βa≥αa。設(shè)家用電器a運(yùn)行一次的能源消耗為Ea，則Ea可以通過下式表示：

設(shè)γa為家用電器a的運(yùn)行功率，二進(jìn)制變量為家用電器a開啟或關(guān)閉的表征變量，當(dāng)取 0時(shí)表示該時(shí)段家用電器狀態(tài)為關(guān)閉，當(dāng)取1時(shí)表示該時(shí)段家用電器狀態(tài)為開啟，則

一般來(lái)說，家用電器在使用過程中可以根據(jù)實(shí)際需要臨時(shí)中斷其供電需求。然而，家庭內(nèi)部存在一些家用電器，如洗衣機(jī)，一旦開始工作就不應(yīng)該中斷，稱這類家用電器為不可中斷家用電器，用AU表示。對(duì)不可中斷家用電器a∈AU，用θa表示一旦它啟動(dòng)需要持續(xù)的時(shí)間段，θa是已知定值。為表征該類家用電器的連續(xù)運(yùn)行，引入二進(jìn)制變量，在該類家用電器開始運(yùn)行時(shí)段=1，其余時(shí)段=0，即

3.2.2運(yùn)行功率可調(diào)度用電器模型

設(shè)B為運(yùn)行功率可調(diào)度用電器集合，其中每個(gè)家用電器設(shè)為b∈B。用表示家用電器b低運(yùn)行功率，表示高運(yùn)行功率，二進(jìn)制變量表征家用電器b是否低功率運(yùn)行，當(dāng)=1時(shí)家用電器低功率運(yùn)行，否則=0；二進(jìn)制變量表征家用電器b是否高功率運(yùn)行。表示時(shí)段n家用電器b運(yùn)行功率，mb和nb分別表示家用電器開始和結(jié)束運(yùn)行時(shí)段，則

該類家用電器的運(yùn)行模式分三個(gè)等級(jí)，第一個(gè)等級(jí)，家用電器在運(yùn)行時(shí)段均高功率運(yùn)行，舒適度最高；第二個(gè)等級(jí)，家用電器在整個(gè)運(yùn)行時(shí)段根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)、光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量及蓄電池充放電情況安排家用電器每一時(shí)段的運(yùn)行功率，總體上一半高功率一半低功率，舒適度適中，較經(jīng)濟(jì)；第三個(gè)等級(jí)，家用電器在運(yùn)行時(shí)段均低功率運(yùn)行，舒適度最低，最經(jīng)濟(jì)。

3.3優(yōu)化控制模型

以用電費(fèi)用少和蓄電池切換次數(shù)少為調(diào)度目標(biāo)得到優(yōu)化控制模型如下所示。其中，φ為調(diào)節(jié)蓄電池切換次數(shù)比重的參數(shù)，g（（k））為計(jì)算蓄電池切換次數(shù)的函數(shù)，因?yàn)樾铍姵厍袚Q次數(shù)對(duì)壽命影響比較大，考慮到成本問題，希望尋求的最優(yōu)解能夠保證蓄電池切換次數(shù)在4次以內(nèi)；p （k）為k時(shí)段實(shí)時(shí)電價(jià)，為已知量，pmax為實(shí)時(shí)電價(jià)中的最大值，（k）和為已知量，其他變量可參考前文。目標(biāo)函數(shù)不僅包括了家庭的購(gòu)電費(fèi)用，還包括電能的時(shí)間效益［5］，即在電價(jià)低時(shí)蓄電池向電網(wǎng)輸出電量出售時(shí)的期望損失或者將蓄電池在低電價(jià)時(shí)應(yīng)輸出的電量挪到電價(jià)高時(shí)出售所獲得的額外利益。

4　求解及結(jié)果分析

該模型決策變量多，同時(shí)受蓄電池一些參數(shù)的約束，難以解析計(jì)算，因此本文采用粒子群算法對(duì)家庭能耗管理優(yōu)化模型進(jìn)行求解。這里，調(diào)度4個(gè)運(yùn)行時(shí)段可調(diào)度用電器，分別設(shè)置好它們的開始和結(jié)束時(shí)段，調(diào)度4個(gè)運(yùn)行功率可調(diào)度用電器，設(shè)置好它們的運(yùn)行時(shí)段和運(yùn)行等級(jí)，給出不可調(diào)度用電器各時(shí)段運(yùn)行功率值，得出的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖1所示。

圖1　調(diào)度結(jié)果Fig.1 Schedu ling resu lts

從圖1（a）可以看到，蓄電池的切換次數(shù)僅為3次，滿足要求，說明該調(diào)度策略可保證蓄電池的使用壽命。從圖1（b）可以看到，蓄電池在電價(jià)低時(shí)儲(chǔ)能，電價(jià)高時(shí)向電網(wǎng)售電或給家庭內(nèi)部供電，而市電在電價(jià)低時(shí)使用較多，在電價(jià)高時(shí)均為負(fù)值。說明該調(diào)度策略能夠最大程度上降低用電費(fèi)用。利用該模型，一天總的用電費(fèi)用為10.44美分，為未調(diào)度前的16.28%。

4個(gè)運(yùn)行時(shí)段可調(diào)度用電器的調(diào)度結(jié)果如圖2所示，其中前兩個(gè)為不可中斷家用電器，后兩個(gè)為可中斷家用電器。由上圖我們可以看出，圖1、2運(yùn)行時(shí)段連續(xù)，均在電價(jià)最低的時(shí)段運(yùn)行，圖3、4運(yùn)行時(shí)段不連續(xù)，但具體運(yùn)行時(shí)段的電價(jià)低?？梢哉J(rèn)為調(diào)度取得了成功。

運(yùn)行功率可調(diào)度用電器有四個(gè)，設(shè)定其中兩個(gè)運(yùn)行等級(jí)為2，調(diào)度結(jié)果如圖3所示。圖中可見，在電價(jià)相對(duì)較高時(shí)段家用電器卻高功率運(yùn)行，這是因?yàn)樗姓{(diào)度時(shí)段電價(jià)均較低，調(diào)度結(jié)果主要取決于光伏系統(tǒng)發(fā)電量和蓄電池儲(chǔ)能情況。如圖3（a）所示，雖然第26個(gè)時(shí)段電價(jià)比第27個(gè)時(shí)段高，家用電器卻在該時(shí)段高功率運(yùn)行，原因在于第26個(gè)時(shí)段可利用光伏電量較第27個(gè)時(shí)段大，家用電器在該時(shí)段運(yùn)行高功率比在下一時(shí)段運(yùn)行高功率用電費(fèi)用低。

圖2　運(yùn)行時(shí)段可調(diào)度用電器調(diào)度結(jié)果Fig.2 Schedu ling resu lts of running tim e schedu lab lehousehold app liances

圖3　運(yùn)行功率可調(diào)度用電器調(diào)度結(jié)果Fig.3 Scheduling results of running power schedulablehousehold app liances

5　總 結(jié)

本文對(duì)家庭能耗進(jìn)行分析，以用電費(fèi)用少和蓄電池切換次數(shù)少為調(diào)度目標(biāo)建立家庭能耗管理優(yōu)化模型，并采用粒子群算法對(duì)該模型進(jìn)行求解。仿真結(jié)果表明計(jì)算得到的調(diào)度策略可以實(shí)現(xiàn)蓄電池切換次數(shù)少和顯著減少用電費(fèi)用兩個(gè)目標(biāo)。

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林 峰 男（1960 -），上海人，教授、博士生導(dǎo)師、工學(xué)博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡x散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，混合系統(tǒng)和魯棒控制。

宋 楠 女（1991 -），河南商丘人，碩士生，主要研究方向?yàn)橹悄芗揖印?/p>

Optim ization Strategy of Home Energy consum ption w ith
Renewable Energy Resources

S0NG Nan，SHU Shaolong，LIN Feng
（School of Electronics and Information Engineering，Tongji University，Shanghai201804，China）

Abstrac t：Using sustainable energy resources and scheduling energy consum Ption of hom e aPPliances are two effective w ays to save energy and electricity costs.In this PaPer，w e investigate how to oPtim ize the energy consum Ption for a home w ith a Photovoltaic Pow er generation system，storage battery and a variety of household aPPliances.The goal is to m inim ize the times of sw itching storage battery and electricity costs.W e construct an energy consum Ption model and then obtain an oPtim ization strategy using Particle sw arm algorithm s.The sim ulation results show the validity of our oPtim ization strategy. That is，the strategy obtained by ourmethod can ensure the times of sw itching storage battery as small as Possible and the electricity costs as little as Possible.

Key words：real-time electric Price；Photovoltaic Power generation system；storage battery；Particle swarm algorithm s； electricity costs.

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（71371142）