基于電力路由器的家庭能量管理系統(tǒng)

鄭偉鋒，黃森炯，許 達(dá)

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，寧波 315000）

隨著傳統(tǒng)化石燃料的過(guò)度消耗，環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，加之全球能源需求不斷增長(zhǎng)，在這些因素的推動(dòng)下，可再生能源的開(kāi)發(fā)利用獲得快速發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生全面深刻的變革[1]。利用可再生能源發(fā)電具備能源充裕、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，但其隨機(jī)性、間歇性等特性會(huì)降低供電質(zhì)量，對(duì)于配備分布式發(fā)電裝置的家庭來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑增加了進(jìn)行能量管理的不穩(wěn)定因素[2]。

目前，已有專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)配置分布式電源的家庭能量管理進(jìn)行大量研究，成果顯著，其中側(cè)重點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與管理策略?xún)蓚€(gè)方面。在管理策略方面，文獻(xiàn)[3-4]中系統(tǒng)利用動(dòng)態(tài)的電價(jià)調(diào)節(jié)負(fù)荷工作時(shí)間以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，對(duì)家用電器進(jìn)行分類(lèi)，在用電高峰將可中斷負(fù)荷切斷供電或者轉(zhuǎn)移至其它時(shí)段以降低能源成本并防止供電不足[5-6]。系統(tǒng)管理策略研究本質(zhì)在于負(fù)荷調(diào)度，而具有即插即用功能和靈活可擴(kuò)展性的能量管理平臺(tái)是必不可少的，兩者結(jié)合將會(huì)提高系統(tǒng)的性能。

Takekazu Kato 等提出了“i-Energy”的概念以及“能源隨需應(yīng)變EoD（energy on demand）”的新型能量控制方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)分散式電源與電器間功率流有效且通用地控制[7]。Song Wenzhan 等提出了智能電源開(kāi)關(guān)，它具有互聯(lián)網(wǎng)路由、電源轉(zhuǎn)換和保護(hù)設(shè)備的功能[8]。隨著電力包分發(fā)技術(shù)的發(fā)展，研究人員開(kāi)始整合電力傳輸和通信的物理路徑，由此出現(xiàn)了電力路由器[9]。電力路由器的工作原理在于將電源分組，并將與負(fù)載匹配的電源電能直接傳送至負(fù)載，而后隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用范疇由單一電力路由器到電力路由器間的互聯(lián)；文獻(xiàn)[10]基于電力路由器互聯(lián)設(shè)計(jì)了新穎靈活的微網(wǎng)互聯(lián)框架，通過(guò)多端口電力路由器實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)間的能量交互。文獻(xiàn)[11]中提出了基于能量路由器構(gòu)建的能源互聯(lián)網(wǎng)框架，通過(guò)不同電壓等級(jí)的能量路由器進(jìn)行電壓變換與能量傳送。

為解決可再生能源接入系統(tǒng)帶來(lái)的這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于電力路由器的家庭能量管理系統(tǒng)HEMS（home energy management system），通過(guò)電力路由器將電網(wǎng)、可再生能源系統(tǒng)和負(fù)荷相連接。相比于已有的科研成果，HEMS 具有如下特點(diǎn)：通過(guò)電力路由器管理分布式能源與負(fù)荷，提供即插即用的端口；根據(jù)用戶(hù)的舒適度、能耗和負(fù)荷特性，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行最佳動(dòng)態(tài)控制；提高可再生能源的本地消納率。

1 基于電力路由器的家庭能量管理系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 面向家庭能量管理的電力路由器框架

本系統(tǒng)的核心組件是電力路由器，其主要功能是完成系統(tǒng)電能的變換與管理。根據(jù)功能需求，電力路由器主要由整流器、逆變器VSC（voltage source converter）、開(kāi)關(guān)模塊、通信網(wǎng)絡(luò)等組成，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。電力路由器中各模塊的功能如下。

圖1 電力路由器的整體框架Fig.1 Overall framework of electric power router

（1）電力路由器的核心是主逆變器VSC，具備雙向變換功能，將各分布式發(fā)電設(shè)備及儲(chǔ)能設(shè)備輸出的直流電轉(zhuǎn)換成可供負(fù)荷直接使用的交流電。

（2）采集模塊主要采集各個(gè)輸入輸出端口的電流、電壓、功率、功率因數(shù)等參數(shù)，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理提供原始數(shù)據(jù)。

（3）能量分配管理即通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使用優(yōu)化調(diào)度算法制定控制策略以管理開(kāi)關(guān)的合理動(dòng)作。

（4）直流母線匯集各分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備經(jīng)過(guò)變流器的電能，經(jīng)逆變器將直流轉(zhuǎn)變成交流接至交流母線，簡(jiǎn)化了各電源并聯(lián)帶來(lái)的控制與電能分配問(wèn)題。

1.2 分布式發(fā)電與儲(chǔ)能技術(shù)

1.2.1 光伏發(fā)電技術(shù)

分布式電源是家庭能量管理系統(tǒng)進(jìn)行可再生能源利用、實(shí)現(xiàn)能量協(xié)調(diào)優(yōu)化的重要基礎(chǔ)。在化石燃料瀕臨匱乏以及環(huán)境污染加劇等情況下，分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)展得十分迅速，且已普遍運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中。而本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件，采用光伏發(fā)電作為接入系統(tǒng)的分布式電源。

光伏電池輸出功率具有明顯波動(dòng)以及非線性的特點(diǎn)，受到光照強(qiáng)度、周?chē)鷾囟鹊榷喾N因素的影響，其中，光伏電池輸出的最大功率取決于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度[12]。以天津夏季典型天氣為例，用額定輸出270 W 的光伏電池經(jīng)并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)供電，實(shí)測(cè)全天光伏輸出曲線如圖2 所示。

圖2 光伏全天輸出曲線Fig.2 Curve of photovoltaic daily output

1.2.2 儲(chǔ)能技術(shù)

可再生能源發(fā)電時(shí)受環(huán)境因素影響較大，需要配置儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)平衡可再生能源發(fā)電的功率波動(dòng)，提高供電質(zhì)量，優(yōu)化分布式電源的運(yùn)行。按照電能轉(zhuǎn)化形式的不同，儲(chǔ)能技術(shù)主要?jiǎng)澐譃殡姶艃?chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能3 種類(lèi)型[13-15]。考慮到實(shí)驗(yàn)室的硬件條件，化學(xué)儲(chǔ)能最具可行性，并且基于成本因素，本試驗(yàn)選擇蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備。

表1 儲(chǔ)能設(shè)備性能對(duì)比Tab.1 Comparison of performance among energy storage equipment

1.3 負(fù)荷類(lèi)型

本文的應(yīng)用場(chǎng)景是家庭，系統(tǒng)進(jìn)行能量協(xié)調(diào)優(yōu)化必然涉及對(duì)負(fù)荷的調(diào)度，所以要對(duì)家庭中的用電負(fù)荷進(jìn)行分類(lèi)。負(fù)荷分類(lèi)首先需要考慮用電負(fù)荷是否可調(diào)度，以及實(shí)施調(diào)度對(duì)用戶(hù)的舒適度是否造成影響。綜合以上兩因素，將用電負(fù)荷劃分為2 種類(lèi)型：基礎(chǔ)負(fù)荷和可調(diào)度負(fù)荷?；A(chǔ)負(fù)荷對(duì)用戶(hù)是剛性需求，一旦發(fā)生調(diào)度轉(zhuǎn)移，就會(huì)嚴(yán)重影響用戶(hù)的用電體驗(yàn)?；A(chǔ)負(fù)荷雖然不在系統(tǒng)可調(diào)度負(fù)荷的范疇內(nèi)，但是本文設(shè)計(jì)的電力路由器可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，可對(duì)其供電電源進(jìn)行選擇，3 種電源（光伏、儲(chǔ)能與市電）均可對(duì)其進(jìn)行供電并且可相互補(bǔ)充?？烧{(diào)度負(fù)荷具備一定的時(shí)間彈性，即允許中斷對(duì)其供電，或者改變工作時(shí)段，且不會(huì)造成用戶(hù)用電體驗(yàn)的下降?？烧{(diào)度負(fù)荷又進(jìn)一步分為可中斷負(fù)荷和不可中斷負(fù)荷?？芍袛嘭?fù)荷間歇性工作，工作時(shí)間比較自由；不可中斷負(fù)荷在負(fù)荷工作時(shí)間內(nèi)不可以隨意開(kāi)斷，否則會(huì)影響電器的性能和工作效率。

家用負(fù)荷的用電參數(shù)見(jiàn)表2。表2 中負(fù)荷優(yōu)先級(jí)越高，對(duì)應(yīng)的數(shù)字越大。

表2 家用負(fù)荷用電參數(shù)Tab.2 Electricity parameters of household load

2 系統(tǒng)能量調(diào)度模型設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

基于電力路由器的家庭能量管理系統(tǒng)的軟件架構(gòu)大致分成3 層，即信息采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層與系統(tǒng)管理層。其中：①信息采集層的任務(wù)是收集分布式電源、功率變換裝置、電力路由器端口的狀態(tài)信息以及測(cè)量模塊的電能數(shù)據(jù)信息；②網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要作用是由RS-485 總線網(wǎng)絡(luò)按照協(xié)議在設(shè)備和模塊之間傳輸各種指令和數(shù)據(jù)；③系統(tǒng)管理層承擔(dān)著系統(tǒng)的信息處理、電力路由器的運(yùn)行監(jiān)控以及各類(lèi)分布式電源與負(fù)荷的管理調(diào)度等任務(wù)，并且該層細(xì)分為物理層與業(yè)務(wù)層2 個(gè)層級(jí)。其中物理層主要包括系統(tǒng)的硬件平臺(tái)及驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)。業(yè)務(wù)層包含數(shù)據(jù)庫(kù)與系統(tǒng)應(yīng)用。系統(tǒng)軟件架構(gòu)中各層次均承擔(dān)不同功能，并且相互配合共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能，其基本架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.3 Software structure of the system

2.2 系統(tǒng)能量調(diào)度策略

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和系統(tǒng)各模塊功能設(shè)計(jì)，基于電力路由器的家庭能量管理系統(tǒng)需要結(jié)合接入負(fù)載信息和系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控和電能管理，因此系統(tǒng)的控制策略主要是實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)荷的優(yōu)化匹配。圖4 是負(fù)荷接入系統(tǒng)或運(yùn)行狀態(tài)改變的處理流程，HEMS 控制策略詳細(xì)描述如下。

圖4 系統(tǒng)電源負(fù)荷匹配流程Fig.4 Flowchart of matching between power and load in the system

（1）HEMS 通過(guò)每個(gè)裝載端口的采集模塊收集負(fù)荷的電氣參數(shù)，并將其保存在負(fù)載信息庫(kù)中。

（2）當(dāng)負(fù)荷端口有加載訪問(wèn)請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，HEMS選擇將其連接到電力路由器的負(fù)荷端口并檢測(cè)其采集模塊。如果檢測(cè)到的信息與信息庫(kù)匹配，則開(kāi)始調(diào)度并更新信息庫(kù)。由于本系統(tǒng)的電力路由器帶有交直流母線，因此市電、PV 和儲(chǔ)能裝置可以單獨(dú)供電，也可聯(lián)合供電。若信息不匹配，則繼續(xù)檢測(cè)其電功率，直到它具有理想的功率匹配方案，然后系統(tǒng)更新負(fù)載信息庫(kù)。

（3）當(dāng)電網(wǎng)電源閾值發(fā)送到HEMS 或電網(wǎng)總功率超過(guò)設(shè)定閾值，仍不滿(mǎn)足負(fù)載需求時(shí)，需要根據(jù)優(yōu)先級(jí)切斷負(fù)載。若負(fù)載的優(yōu)先級(jí)較高，則斷開(kāi)的負(fù)荷仍將再次連接到系統(tǒng)，系統(tǒng)再次為其供電。

3 系統(tǒng)運(yùn)行控制實(shí)驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5 所示，其核心在于電力路由器，電源端與光伏、蓄電池與市電相接，家用電器接至負(fù)荷端。系統(tǒng)通過(guò)電力路由器中主控模塊生成調(diào)度策略以控制開(kāi)關(guān)模塊，從而實(shí)現(xiàn)電源負(fù)荷優(yōu)化匹配。

圖5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Experimental platform of the system

3.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，屋頂鋪設(shè)光伏板的開(kāi)路電壓為37.5 V，最大輸出功率為235 W，共有10 塊；鉛酸蓄電池的具體參數(shù)為：最大容量為65 A·h、額定電壓為12 V，考慮系統(tǒng)的功率需求，裝有3 組蓄電池。因此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功率等級(jí)是3 kW。

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括兩個(gè)方面，即系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性與長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性，其中暫態(tài)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)包括負(fù)荷供電電源與系統(tǒng)運(yùn)行模式的切換以及負(fù)荷投切，以論證系統(tǒng)瞬時(shí)動(dòng)作的無(wú)縫切換；長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)側(cè)重于對(duì)比調(diào)度策略使用前后的電能損耗量，以論證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3.2.1 系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)具備多個(gè)電源端和負(fù)荷端，通過(guò)多個(gè)繼電器通斷的控制實(shí)現(xiàn)能量最優(yōu)匹配。由于繼電器通斷有一定延時(shí)，是否對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成影響，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖8 所示。

圖6 系統(tǒng)供電電源切換波形Fig.6 Switching waveforms of system power supply

圖6 是負(fù)荷工作供電電源發(fā)生改變的瞬態(tài)波形，結(jié)果表明繼電器的動(dòng)作時(shí)間小于交流電的半個(gè)周期，不影響負(fù)荷工作。圖7 是系統(tǒng)工作模式在孤島與并網(wǎng)間切換的瞬態(tài)波形，結(jié)果表明能夠?qū)崿F(xiàn)平緩切換。圖8 是在系統(tǒng)不同工作模式下投切負(fù)荷的瞬態(tài)波形，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好供電。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行模式切換波形Fig.7 Switching waveforms of the system in operating mode

圖8 系統(tǒng)不同運(yùn)行模式下負(fù)荷投切波形Fig.8 Load switching waveforms of the system in different operating modes

3.2.2 系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

以夏天晴朗的一天為例，獲取相關(guān)的負(fù)荷和光伏的功率信息以及儲(chǔ)能的充放電曲線SOC，通過(guò)對(duì)比調(diào)度策略使用前后的市電損耗量，進(jìn)而論證系統(tǒng)能否最大化地利用光伏發(fā)電，實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

系統(tǒng)未使用調(diào)度策略的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。可見(jiàn)：①08∶00-11∶00 光伏輸出電能不僅為負(fù)荷供能，還給蓄電池充電，并且此時(shí)光伏余量太多，將多余的電量并網(wǎng)，進(jìn)行售電；②正午時(shí)分，負(fù)荷增多，光伏輸出不夠，儲(chǔ)能進(jìn)行補(bǔ)償，無(wú)需市電供能；③13∶00-16∶00 光伏輸出有剩余，為蓄電池充電；④17∶00-23∶00 光伏輸出逐漸減為0，儲(chǔ)能供電，由于負(fù)荷較多，儲(chǔ)能無(wú)法完全供能，市電接入，即購(gòu)電；⑤23∶00-06∶00 光伏輸出為0，儲(chǔ)能電能為0，負(fù)荷逐漸減少，全由市電供電，此時(shí)段全是購(gòu)電。

圖9 系統(tǒng)調(diào)度前負(fù)荷功率、光伏輸出和SOC 曲線Fig.9 Curves of load power,photovoltaic output and SOC before system scheduling

系統(tǒng)使用調(diào)度策略后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示?？梢?jiàn)：①當(dāng)系統(tǒng)中有光伏輸入時(shí)最大程度地使用光伏，當(dāng)光伏能量剩余時(shí)為蓄電池充電，SOC 曲線在08∶00-16∶00 時(shí)段是不斷上升；②根據(jù)負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)以及閾值設(shè)定進(jìn)行負(fù)荷調(diào)度，將集中在中午時(shí)段的負(fù)荷合理地轉(zhuǎn)移至全天，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)光伏發(fā)電量的最大化利用；③儲(chǔ)能的供電時(shí)段主要在晚上，當(dāng)儲(chǔ)能不充足時(shí)由市電補(bǔ)充。

圖10 系統(tǒng)調(diào)度后負(fù)荷功率、光伏輸出和SOC 曲線Fig.10 Curves of load power,photovoltaic output and SOC after system scheduling

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：調(diào)度前系統(tǒng)的平均用電量是270.38 W，調(diào)度后系統(tǒng)的平均用電量是239.45 W，降低了11.5%。由此可說(shuō)明系統(tǒng)的調(diào)度策略是有效的，也可提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)根據(jù)各電源的供電情況，實(shí)現(xiàn)了電源的聯(lián)合供電，最大化地利用可再生能源發(fā)電，且不影響負(fù)荷的正常工作。

4 結(jié)語(yǔ)

為減少分布式發(fā)電對(duì)用戶(hù)及電網(wǎng)的不利影響，并發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)計(jì)了基于電力路由器的家庭能量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)側(cè)分布式電源和用電設(shè)備的有效管理。當(dāng)電源側(cè)分布式電源輸出波動(dòng)或不同特性、不同重要等級(jí)的負(fù)載接入時(shí)，能量管理系統(tǒng)根據(jù)電源、設(shè)備的運(yùn)行約束條件和優(yōu)化管理策略調(diào)節(jié)儲(chǔ)能和電源的輸出；通過(guò)控制繼電器動(dòng)作在保障負(fù)載穩(wěn)定工作前提下盡量利用可再生能源發(fā)電。