基于微网技术的家庭光伏发电及能量管理系统

无锡马丁格林光伏科技有限公司 ■ 陈晓高 熊保鸿

0 引言

分布式光伏发电是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，倡导就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的原则，不仅能有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题[1]。此外，屋顶的分布式发电不仅不占地，而且可直接供给建筑内的人、机器和设备。随着电力需求的不断增大、传统能源的不断减少，传统电价必然会涨高。因此分布式光伏发电在不久的将来必然走进千家万户。分布式发电系统的大规模应用将对电网运行、控制和电力市场等带来新的机遇和挑战，整合分布式发电系统、储能元件和负载的微网技术将是解决大规模分布式发电系统并网问题的有效途径之一[2]。本文从家庭能量综合管理角度考虑[3]，提出一种基于微网技术的家庭光伏发电及能量管理系统，实现光伏能量的最优化利用。

1 系统描述

该系统示意图如图1所示，主要包括光伏阵列、光伏储能型双向逆变器、能量管理器、智能电表、智能插座和可控型家庭负载。其中，能量管理器功能是采用无线WiFi与电力线载波(PLC)相结合的通信技术，通过采集记录用电设备、光伏发电设备、储能电池等的工作状态对分布式光伏发电系统进行长期而有效的监控。通过优化计算，分配家庭负载能量的合理使用，实现能量的最优化利用；光伏储能型双向逆变器可解决光伏能量储存问题，增强光伏发电的自发自用率。

1.1 光伏储能型双向逆变器

此设备在实现光伏并网发电的同时还可将多余光伏能量储存到蓄电池，以供需要时(如晚上、阴雨天)使用；另外还可起到电力“消峰填谷”的部分作用。在电费昂贵的区域，可大幅提高光伏发电自发自用率，为客户带来更高投资回报率。

1.2 智能能量管理器

此设备为中央能量控制设备，采用WiFi和电力线载波PLC相结合的技术，可监控光伏发电设备、储能电池、智能电表、智能开关，以及各种家庭用电负载等的状态和数据。通过对监控数据(如发电功率/发电量、各负载的用电情况等)的科学预测和分析，实施能量的优化控制，以充分提高能量的使用率。

1.3 智能开关/插座

图1为嵌入电力线载波PLC模块的智能开关/插座，连接到此装置的家庭负载会受到智能能量管理器的远程控制。

图1 基于微网技术的家庭光伏发电及能量管理系统

1.4 可控型家庭用电负载

通过连接到智能开关/插座，家庭负载(如电动汽车充电桩、洗衣机、热水器、冰箱、高温消毒柜等)可通过能量控制器进行集中优化管理和控制，达到能量供需平衡，有效提高能量的自发自用率。

1.5 监控系统

用来操作和配置能量管理器，可通过PC网页浏览器、智能手机终端对控制器进行自定义配置。通过Web Server来查看光伏发电设备、储能电池、智能电表、智能开关/插座，以及各种家庭用电负载的详细情况。

2 系统能量控制方法及流程

太阳光伏阵列吸收太阳光照，通过光电转换形成直流电，再经过具有最大功率跟踪控制(MPPT)的升压电路升压到某个恒定值，然后再经过逆变控制电路转换成符合国家电网要求的交流电能，供家庭负载使用。在智能能量管理器的采集、计算、分析作用下实现最优的能量控制。系统的控制逻辑为：

1) 在太阳光充足(如中午)时，太阳所发能量优先供给家庭负载使用，多余部分通过充/放电器储存到蓄电池中；蓄电池充满后，多余能量则并入市电，中间通过智能电表进行计费计量。

图2 太阳光充足时的能量控制图

2) 在太阳光不足(如早上或傍晚)时，太阳所发能量优先供给家庭负载使用，不足部分将由蓄电池通过充/放电器进行发电，与光伏能量一起给家庭负载供电；蓄电池放电完毕后，不足部分再从市电进行补充，中间通过智能电表进行双向计费计量。

图3 太阳光不足时的能量控制图

3) 在没有太阳(如晚上)时，太阳能不再发电，家庭负载供电优先由蓄电池通过充/放电器(003)进行放电，不足部分从市电(007)进行补充，中间通过智能电表(006)进行双向计费计量。

图4 没有太阳光时的能量控制图

4) 在市电突然掉电时，储能型双向逆变器自动切换到离网模式，确保家庭部分重要附件不间断供电；市电恢复后，自动切换回并网模式。

图5 市电突然掉电时的能量控制

3 实际系统运行结果及分析

以一个实际5 kWp家庭光伏储能系统为例，验证分析本文所阐述系统的优势。试验系统的配置情况及家庭用电情况分别见表1和表2。

表1 试验光伏系统配置

表2 试验家庭用电情况

试验中选取系统连续运行两天(天气非常接近)的光伏发电数据、蓄电池储能数据、家庭负载耗电数据，以及逆变器运行数据。其中，一天没有智能能量优化管理作用，其运行数据曲线如图5a所示；另一天有智能能量优化管理控制，其运行数据曲线如图5b所示。

图5 每日能量曲线

由图5可知，在没有能量优化控制作用下，蓄电池在中午时间就已充满，由于电网公司防逆流限制，下午时段有部分能量受到限功率，造成部分光伏能量流失；在有能量优化控制作用下，通过对光伏发电及对家庭负载耗电的预测，光伏能量被充分利用，并且蓄电池也完全被缓和充满，既保护了蓄电池，又大幅提高了自发自用率。

4 结论

本文从家庭能量综合管理角度考虑，为分布式家庭光伏系统配置能量储存及优化管理系统，实现光伏能量的最优化利用，可为电网和用户带来经济、运行，以及环境上的利益。引入微电网运行的模式结构及控制技术，融合了储能、电能质量控制、功率流优化控制、能量管理及远程监控，解决了分布式电源、储能装置与配电网之间的协同能量交换和功率控制技术问题，大大提高了能源利用效率、减少输配电损失、减少用户能源成本，还满足智能电网下智能用电对技术先进、经济高效、服务多样、灵活互动和友好开放的要求。

[1] 黄伟, 孙昶辉, 吴子平, 等. 含分布式发电系统的微网技术研究综述[J]. 电网技术, 2009, 33(9): 14 – 18.

[2] 李光涛. 微网技术在分布式发电系统中的应用探讨[J]. 技术研发 , 2013, 20(5): 110 – 111.

[3] 章鹿华, 王思彤, 易忠林, 等. 面向智能用电的家庭综合能源管理系统的设计与实现[J]. 电测与仪表, 2010, 47(537): 35 – 38.