一種適用于智能家居的能量管理策略及其經(jīng)濟性驗證*

曾 武, 孟詩涵, 楊睿賢

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院, 上海 200240)

0 引 言

國家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示,2017年光伏發(fā)電新增裝機容量5 306萬kW,居可再生能源之首,遠超風電(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。為鼓勵光伏產(chǎn)業(yè)的健康、有效發(fā)展,國家頒布一系列扶持政策,因此光伏產(chǎn)業(yè)市場前景廣闊。

隨著可再生能源的興起,光伏發(fā)電技術(shù)不斷成熟,其應用方式越來越豐富。因此,如何充分利用太陽能,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)濟性。其影響因素來自各個方面,包括供電側(cè)的光伏功率及電價、蓄電池儲能、轉(zhuǎn)換效率、需求側(cè)的負荷等。

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)濟模式。有關(guān)學者分析計算后得出,“余量上網(wǎng)”相比“全額上網(wǎng)”經(jīng)濟性更強。在“余量上網(wǎng)”經(jīng)濟模式下有多種能量管理策略,有的策略沒有引入蓄電池儲能,有的沒有將時間因素納入考慮范圍,沒有預測規(guī)劃,均未達到最優(yōu)的經(jīng)濟性。

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

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

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

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)有機地結(jié)合,并與互聯(lián)網(wǎng)連接,進行監(jiān)控、管理信息交換和通信,實現(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,能夠方便地進行預測、規(guī)劃和算法設(shè)計。

現(xiàn)有的研究大都集中在海島獨立的風光儲系統(tǒng)和工業(yè)側(cè)光儲系統(tǒng)建模和經(jīng)濟性分析方面[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)合我國實際情況的經(jīng)濟性優(yōu)化。本文結(jié)合上海某居民安裝系統(tǒng),制定更加經(jīng)濟的光儲一體化系統(tǒng)能量管理策略,具有實用價值。

1 前提及基本假設(shè)

以日為單位,將時間作為變量納入考慮范圍,整個光儲系統(tǒng)對于太陽能、電池儲能和電網(wǎng)回饋應存在最優(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)每日分時輻照強度如圖1所示,一年四季中輻照強度最大時刻均出現(xiàn)在每日11∶00～14∶00時段。上海地區(qū)每月日均峰值輻照強度如圖2所示,可見夏季輻照強度約為冬季的2倍,整體輻照強度情況良好。

圖1 上海地區(qū)不同季節(jié)每日分時輻照強度

圖2 上海地區(qū)每月日均峰值輻照強度

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

1.2 居民用戶電價

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

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

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

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

1.3 分布式光伏上網(wǎng)電價

根據(jù)國家電網(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)的電價為0.75元/kWh,余電上網(wǎng)的電價計算如下。

光伏發(fā)電裝置投入使用后的前5年上網(wǎng)電價:上海燃煤標桿上網(wǎng)電價(0.415 5元/kWh)+國家補貼(0.37元/kWh)+上海地區(qū)補貼(0.4元/kWh)=1.185 5元/kWh;5年后上網(wǎng)電價為(0.415 5+0.37)元/kWh=0.785 5元/kWh。

1.4 分布式光伏電站裝機容量Ppv及投資Cpv

1 kW裝機容量需投資約1萬元,需占安裝面積10 m2。對于獨棟房住戶,光伏裝機容量可達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)電功率對光照條件依賴性非常強,有效時段為8∶00～17∶00,午后光照條件最佳。對于單元房住戶,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 家用負載

文獻[11]對上海某居民小區(qū)一住戶的用電信息進行連續(xù)1個月的實測,居民日負荷曲線如圖4所示,虛線表示工作日居民用電負荷,實線表示周末居民用電負荷。

圖4 居民日負荷曲線

1.6 儲能方式

國內(nèi)主要使用的鋰電池包括三元電池和磷酸鐵鋰電池,國外可使用更先進的特斯拉能量墻(Powerwall)電池。也可將新能源汽車,如電動自行車、電動車的車載電池作為儲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)負載和可減負載來優(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,進而對發(fā)電量進行預測及使用規(guī)劃。

(3) 國家和地區(qū)補貼能夠及時發(fā)放,落實政策。

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

2.1 傳統(tǒng)能量管理策略

光儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 光儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光儲系統(tǒng)由光伏組件、蓄電池、負載等組成,同時與電網(wǎng)有交互,存在多個工況。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為負載消耗量,SOC(State of Charge)為電池荷電狀態(tài)。工況1,孤島運行,光伏發(fā)電;工況2,并網(wǎng)運行,網(wǎng)側(cè)變換器逆變;工況3,孤島運行,電池供電;工況4,并網(wǎng)運行,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,從工況1的光伏發(fā)電切換到工況2,并網(wǎng)運行,將光伏發(fā)出的多余電量上網(wǎng)。若光伏發(fā)電量小于負載消耗量(PPVPLoad),則再次回到工況1,孤島運行,給電池充電。因此,供電優(yōu)先級為光伏、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能元件,使光儲發(fā)電系統(tǒng)更具穩(wěn)定性。通過并網(wǎng)售賣電量盈利,光儲發(fā)電系統(tǒng)具有經(jīng)濟性。這種經(jīng)濟模式依賴電網(wǎng),給電網(wǎng)帶來不必要的負擔,在光伏發(fā)電量不足的情況下仍需電網(wǎng)實時供電。

2.2 新能量管理策略

引入了時間因素,考慮光照條件、負載情況、蓄電池存儲容量、電價等隨時間發(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)系以及時間因素。在谷時段(22∶00至次日6∶00)以工況4運行,電網(wǎng)給負載供電,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,孤島運行,由蓄電池輔助供電。此時若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間因素后供電的優(yōu)先級不再為光伏、電池、電網(wǎng),而是在電價低谷時段主動選擇由電網(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,有利于延長電池的使用壽命。同時,減少一種工況,使控制系統(tǒng)更加簡潔。

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)電量預測曲線。同時,根據(jù)智能家居日常使用情況數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)可調(diào)負載,合理安排次日的負載運行時段,使其匹配光伏發(fā)電預測曲線,進而控制晚間蓄電池放電深度及SOC,從而延長電池使用壽命[12]。22∶00后以谷時段電價對蓄電池進行充電。

(3) 蓄電池可由家中電動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)濟性高于并網(wǎng)上電。

(4) 記錄次日實際使用情況與預測曲線及使用情況的偏差,利用灰色預測或馬爾科夫等預測模型對預測算法進行優(yōu)化,以達到經(jīng)濟最大化的目的。

這種能量管理策略工況明確,切換條件簡單,充分發(fā)揮蓄電池的儲能作用,應用方式多樣,經(jīng)濟性高;同時記錄使用數(shù)據(jù),個性化地匹配用戶的使用習慣,增強智能家居的舒適度及體驗感;適當充放電對電池起到養(yǎng)護作用,也減小對電網(wǎng)的沖擊,起到削峰填谷的均衡作用。

3 應用模型的建立及實例分析

3.1 應用模型建立及分析

家用獨立光儲發(fā)電系統(tǒng)的成本包括前期裝置投入、維護成本以及折舊成本。由于家用獨立光儲系統(tǒng)規(guī)模較小,維護成本可以忽略不計,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、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,可采用為電動自行車、電動汽車等快速充電收費來充分利用能源。上網(wǎng)電量收益包括國家、上海市兩級補貼和標桿電價收入以及節(jié)省下來的電費。從長遠發(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,也不會產(chǎn)生污染物,可量化為環(huán)境收益。

3.2 實例分析

上海市閔行區(qū)某戶居民的光伏裝機容量為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,不考慮資金時間價值時折合到日投資為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,峰時段用電約為5 kWh,谷時段用電約為2 kWh,年用電量在3 120 kWh以內(nèi),因此峰、谷時段電價分別為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)運行的兩種工況,在PV輸出功率小于負載功率時向電網(wǎng)要電,在PV輸出功率大于負載功率時向電網(wǎng)饋電。設(shè)一天的有效日照時間為t,峰時段平均用電功率為300 W,前5年日收入為

5年后日收入為

3.2.2 傳統(tǒng)光儲發(fā)電系統(tǒng)

傳統(tǒng)光儲發(fā)電系統(tǒng)有4種工況,在有效光照時間內(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段繼續(xù)維持家用負荷。分兩種情況討論:當有效光照時間足夠時,光伏發(fā)電將蓄電池充電至5 kWh,再向電網(wǎng)饋電;當有效光照時間不足時,光伏發(fā)電無法將蓄電池充滿。

當t≥Wbat/Ppv時,前5年日收入為

當t

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

當t≥Wbat/Ppv時,5年后日收入為

當t

3.2.3 采用優(yōu)化能量管理策略的光儲發(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,滿足峰時段用電需求,同時光伏發(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年后日利潤隨日光照時間的曲線,分別如圖8、圖9所示。

圖8 5年內(nèi)日利潤隨日光照時間的曲線

圖9 5年后日利潤隨日光照時間的曲線

由圖8、圖9可知,光伏系統(tǒng)日利潤曲線在傳統(tǒng)光儲系統(tǒng)日利潤曲線之上,說明加入蓄電池后光伏發(fā)電的經(jīng)濟性不一定能夠提高,原因是光伏發(fā)電規(guī)模較小時,蓄電池成本在整個投資成本中占比較高,如不采用適當?shù)哪芰抗芾聿呗?其經(jīng)濟性不如光伏系統(tǒng)。而在采用經(jīng)優(yōu)化的能量管理策略后,光儲系統(tǒng)產(chǎn)生的日利潤顯著提高,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間為3.81 h,則5年內(nèi)平均日收入為22.46元,日利潤為16.66元;5年后平均日收入為14.82元,日利潤為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)附近的充電停車場中進行實地調(diào)查,其直流充電費用為1.44～1.70元/kWh,相對于5年內(nèi)上網(wǎng)收益高出20%～40%,相對于5年后上網(wǎng)收益高出近1倍。而根據(jù)文獻[13]中對消費者購買意愿與折扣關(guān)系的調(diào)查,折扣達到9折時,存在購買意愿的人群比例達到30%,8折時達到近80%。因此,通過建立充電樁將蓄電池儲存的多余電量進行售賣,能夠最大化光伏發(fā)電的收益,同時保證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、負載情況、蓄電池充放電情況和峰谷電價因素,實現(xiàn)最優(yōu)化的谷價蓄電方法。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25%,通過構(gòu)建光儲發(fā)電系統(tǒng)并進行測試驗證,證明能量管理策略的有效性。