一种适用于智能家居的能量管理策略及其经济性验证*

曾 武, 孟诗涵, 杨睿贤

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200240)

0 引 言

国家能源局发布数据显示,2017年光伏发电新增装机容量5 306万kW,居可再生能源之首,远超风电(1 503 kW)、水电(900万kW)、生物发电(274万kW),显示光伏产业的重要性。为鼓励光伏产业的健康、有效发展,国家颁布一系列扶持政策,因此光伏产业市场前景广阔。

随着可再生能源的兴起,光伏发电技术不断成熟,其应用方式越来越丰富。因此,如何充分利用太阳能,制定高效的能量管理策略引起广泛的关注。能量管理策略是指运行在能量管理系统(Energy Management System,EMS)上的方法,以最小的成本保证供电的安全性以及用电的经济性。其影响因素来自各个方面,包括供电侧的光伏功率及电价、蓄电池储能、转换效率、需求侧的负荷等。

目前,分布式光伏发电站采用“全额上网”和“余量上网”两种不同的经济模式。有关学者分析计算后得出,“余量上网”相比“全额上网”经济性更强。在“余量上网”经济模式下有多种能量管理策略,有的策略没有引入蓄电池储能,有的没有将时间因素纳入考虑范围,没有预测规划,均未达到最优的经济性。

文献[1]指出家用负载可分为刚性负载、可调负载和可减负载。可调负载如洗衣机和洗碗机,可以设置启动和关闭时间,达到错峰运行的效果;可减负载如空调,用户可以在不十分影响舒适度的情况下通过设置温度以达到减小负载的效果。

文献[2-4]详细介绍V2G(Vehicle-to-grid)的概念,即当混合电动车或纯电动车不在运行时可以将电池的能量传送到电网,反之当电动车的电池需要充满时,电池可以从电网获取电能。文献[5]提出Vehicle-to-home的概念,即电动汽车中的锂电池可作为储能装置并入家庭中,具有合理性。未来发展的趋势是,光储系统中的储能投资所占比重越来越少。

有关学者关注电力系统中负荷和发电量的预测。文献[6]利用灰色预测模型对未来负荷进行预测,并对预测结果采用马尔科夫链方法进行改进,但预测结果仅为相对残差区间和概率的组合,而非具体数值。文献[7]提出一种以马尔科夫方法进行修正误差的BP神经网络预测模型,适合于波动性较大的随机序列预测。

基于物联网的智能家居,表现为利用信息传感设备(同居住环境中的各种物品松耦合或紧耦合)将家居生活有关的各种子系统有机地结合,并与互联网连接,进行监控、管理信息交换和通信,实现家居智能化[8]。通过物联网交换信息,将光伏发电控制系统融入智能家居,能够方便地进行预测、规划和算法设计。

现有的研究大都集中在海岛独立的风光储系统和工业侧光储系统建模和经济性分析方面[9],已经商业化的能源管理策略则侧重于电路网络结构的优化以及控制的稳定性[10],少有结合我国实际情况的经济性优化。本文结合上海某居民安装系统,制定更加经济的光储一体化系统能量管理策略,具有实用价值。

1 前提及基本假设

以日为单位,将时间作为变量纳入考虑范围,整个光储系统对于太阳能、电池储能和电网回馈应存在最优的利用方式和控制方式。以下列出一些考虑因素和基本假设。

1.1 光照条件

上海地区不同季节每日分时辐照强度如图1所示,一年四季中辐照强度最大时刻均出现在每日11∶00～14∶00时段。上海地区每月日均峰值辐照强度如图2所示,可见夏季辐照强度约为冬季的2倍,整体辐照强度情况良好。

图1 上海地区不同季节每日分时辐照强度

图2 上海地区每月日均峰值辐照强度

此外,紫外线指数能在很大程度反映光照强度,能够方便地通过物联网从中国气象局获取,可作为预测使用的重要指标。

1.2 居民用户电价

根据国家电网上海市电力公司的最新数据,居民用户的电价水平分为3个梯度。

(1) 年用电量在3 120 kWh以内的用户,峰时段(6∶00～22∶00)电价为0.617元/kWh,谷时段(22∶00～次日6∶00)电价为0.307元/kWh。

(2) 年用电量在3 120～4 800 kWh之间的用户,峰、谷时段电价分别为0.677元/kWh和0.337元/kWh。

(3) 年用电量在4 800 kWh以上的用户,峰、谷时段电价分别为0.977元/kWh和0.487元/kWh。

1.3 分布式光伏上网电价

根据国家电网的相关政策,分布式光伏电站主要有全额上网、自发自用余电上网两种发电模式。暂不考虑户用扶贫,上海市全额上网的电价为0.75元/kWh,余电上网的电价计算如下。

光伏发电装置投入使用后的前5年上网电价:上海燃煤标杆上网电价(0.415 5元/kWh)+国家补贴(0.37元/kWh)+上海地区补贴(0.4元/kWh)=1.185 5元/kWh;5年后上网电价为(0.415 5+0.37)元/kWh=0.785 5元/kWh。

1.4 分布式光伏电站装机容量Ppv及投资Cpv

1 kW装机容量需投资约1万元,需占安装面积10 m2。对于独栋房住户,光伏装机容量可达6 kW以上。容量6 kW光伏发电系统日发电功率如图3所示。可见光伏电站日发电功率对光照条件依赖性非常强,有效时段为8∶00～17∶00,午后光照条件最佳。对于单元房住户,有效光伏面积是制约光伏投资的主要因素。

图3 容量6 kW光伏发电系统日发电功率

1.5 家用负载

文献[11]对上海某居民小区一住户的用电信息进行连续1个月的实测,居民日负荷曲线如图4所示,虚线表示工作日居民用电负荷,实线表示周末居民用电负荷。

图4 居民日负荷曲线

1.6 储能方式

国内主要使用的锂电池包括三元电池和磷酸铁锂电池,国外可使用更先进的特斯拉能量墙(Powerwall)电池。也可将新能源汽车,如电动自行车、电动车的车载电池作为储能装置加入家庭光伏发电系统中,减小蓄电池的前期投资,增加应用方式。

2 能量管理策略

综合上述分析,得出如下结论,明确制定新能量管理策略的基础和条件。

(1) 家用负载情况有一定的规律性和可控性,可通过调节可调负载和可减负载来优化。

(2) 发电量与光照条件紧密相关。在能量管理中需考虑天气因素,进而对发电量进行预测及使用规划。

(3) 国家和地区补贴能够及时发放,落实政策。

能量管理的最终目标是最大限度地利用光伏发出电能,同时获得更优的利润。而传统能量管理策略仍存在一定缺陷,经济性不高。

2.1 传统能量管理策略

光储系统结构如图5所示。

图5 光储系统结构

光储系统由光伏组件、蓄电池、负载等组成,同时与电网有交互,存在多个工况。传统能量管理策略工况切换如图6所示,其中PPV为光伏发电量,PLoad为负载消耗量,SOC(State of Charge)为电池荷电状态。工况1,孤岛运行,光伏发电;工况2,并网运行,网侧变换器逆变;工况3,孤岛运行,电池供电;工况4,并网运行,网侧变换器整流。

工况之间的切换条件:若SOC>95%,电池处于基本满电状态时,从工况1的光伏发电切换到工况2,并网运行,将光伏发出的多余电量上网。若光伏发电量小于负载消耗量(PPVPLoad),则再次回到工况1,孤岛运行,给电池充电。因此,供电优先级为光伏、电池、电网。

图6 传统能量管理策略工况切换

此种余量上网模式引入蓄电池作为储能元件,使光储发电系统更具稳定性。通过并网售卖电量盈利,光储发电系统具有经济性。这种经济模式依赖电网,给电网带来不必要的负担,在光伏发电量不足的情况下仍需电网实时供电。

2.2 新能量管理策略

引入了时间因素,考虑光照条件、负载情况、蓄电池存储容量、电价等随时间发生变化的因素,提出新的能量管理策略。新能量管理策略工况切换如图7所示。

图7 新能量管理策略工况切换

图7中,工况之间的切换条件为PPV和PLoad的大小关系以及时间因素。在谷时段(22∶00至次日6∶00)以工况4运行,电网给负载供电,网侧变换器整流,给蓄电池充电。6∶00过后由工况4切换至工况3,孤岛运行,由蓄电池辅助供电。此时若PPV>Pload,则由工况3切换至工况2,网侧变换器逆变,将光储系统发出的多余电量上网。若PPV

相比之前的能量管理策略,新能量管理策略在考虑时间因素后供电的优先级不再为光伏、电池、电网,而是在电价低谷时段主动选择由电网供电,即电池的荷电状态不再为工况转换的依据,可以避免电池过量放电,有利于延长电池的使用寿命。同时,减少一种工况,使控制系统更加简洁。

提出的能量管理策略具体阐述如下:

(1) 家用光伏电站采取自发自用,余电上网的发电模式。

(2) 每天利用物联网智能家居系统获取次日的天气信息,根据典型光照曲线及天气信息生成发电量预测曲线。同时,根据智能家居日常使用情况数据调节可调负载,合理安排次日的负载运行时段,使其匹配光伏发电预测曲线,进而控制晚间蓄电池放电深度及SOC,从而延长电池使用寿命[12]。22∶00后以谷时段电价对蓄电池进行充电。

(3) 蓄电池可由家中电动交通工具中的蓄电池联合组成。在光伏规模足够的情况下采用建设充电桩以快充的方式销售多余电量,其经济性高于并网上电。

(4) 记录次日实际使用情况与预测曲线及使用情况的偏差,利用灰色预测或马尔科夫等预测模型对预测算法进行优化,以达到经济最大化的目的。

这种能量管理策略工况明确,切换条件简单,充分发挥蓄电池的储能作用,应用方式多样,经济性高;同时记录使用数据,个性化地匹配用户的使用习惯,增强智能家居的舒适度及体验感;适当充放电对电池起到养护作用,也减小对电网的冲击,起到削峰填谷的均衡作用。

3 应用模型的建立及实例分析

3.1 应用模型建立及分析

家用独立光储发电系统的成本包括前期装置投入、维护成本以及折旧成本。由于家用独立光储系统规模较小,维护成本可以忽略不计,折旧采用直线折旧法,残值为5%。

余量上网户用分布式收益包括快速充电收费、上网电量收益、环境收益。在光伏发电量过剩且电池充满的情况下,可采用为电动自行车、电动汽车等快速充电收费来充分利用能源。上网电量收益包括国家、上海市两级补贴和标杆电价收入以及节省下来的电费。从长远发展来看,光伏发电装置缓解了日益短缺的化石燃料危机,也不会产生污染物,可量化为环境收益。

3.2 实例分析

上海市闵行区某户居民的光伏装机容量为4 kW,光伏组件初始投资成本约为35 000元,理论使用年限25年,不考虑资金时间价值时折合到日投资为3.8元。蓄电池为2块48 V 60 Ah磷酸铁锂电池,成本约为6 000元,100%放电深度情况下循环寿命约为1 500次(容量衰减至80%)。每2天充放电1次,则锂电池组使用年限为8年,折合到日投资为2元。该用户日平均用电量约为7 kWh,峰时段用电约为5 kWh,谷时段用电约为2 kWh,年用电量在3 120 kWh以内,因此峰、谷时段电价分别为0.617元/kWh和0.307元/kWh。相关参数取值如表1所示。

表1 相关参数取值

3.2.1 光伏发电系统

光伏系统只有并网运行的两种工况,在PV输出功率小于负载功率时向电网要电,在PV输出功率大于负载功率时向电网馈电。设一天的有效日照时间为t,峰时段平均用电功率为300 W,前5年日收入为

5年后日收入为

3.2.2 传统光储发电系统

传统光储发电系统有4种工况,在有效光照时间内光伏发出的电量为蓄电池充电,再馈入电网。蓄电池的电量在峰时段继续维持家用负荷。分两种情况讨论:当有效光照时间足够时,光伏发电将蓄电池充电至5 kWh,再向电网馈电;当有效光照时间不足时,光伏发电无法将蓄电池充满。

当t≥Wbat/Ppv时,前5年日收入为

当t

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

当t≥Wbat/Ppv时,5年后日收入为

当t

3.2.3 采用优化能量管理策略的光储发电系统

采用能量管理策略后,在前一晚给蓄电池充入(Wpeak-tPavg)的电量,满足峰时段用电需求,同时光伏发出的余电(tPpv-tPavg)全部上网。

前5年日收入为

5年后日收入为

3.3 结果分析比较

使用MATLAB分别作出5年内和5年后日利润随日光照时间的曲线,分别如图8、图9所示。

图8 5年内日利润随日光照时间的曲线

图9 5年后日利润随日光照时间的曲线

由图8、图9可知,光伏系统日利润曲线在传统光储系统日利润曲线之上,说明加入蓄电池后光伏发电的经济性不一定能够提高,原因是光伏发电规模较小时,蓄电池成本在整个投资成本中占比较高,如不采用适当的能量管理策略,其经济性不如光伏系统。而在采用经优化的能量管理策略后,光储系统产生的日利润显著提高,高于其他两种方式。从宏观上看,蓄电池在电力系统中起着削谷平峰的作用,改善供电质量,加强光伏系统工作的稳定性和可靠性,环境收益不可估量。

根据图2,上海每年日均峰值辐照时间为3.81 h,则5年内平均日收入为22.46元,日利润为16.66元;5年后平均日收入为14.82元,日利润为9.02元。投资及净现金流量数据如表2所示。

由表2可知,采用能量管理策略的光储发电系统5年共可收入40 990元,即基本收回投资成本。对于全额上网的发电模式,平均日收入为4×3.81×0.75元=11.43元,需要8年以上的投资回收期。

表2 投资及净现金流量数据 元

此外,在上海某小区附近的充电停车场中进行实地调查,其直流充电费用为1.44～1.70元/kWh,相对于5年内上网收益高出20%～40%,相对于5年后上网收益高出近1倍。而根据文献[13]中对消费者购买意愿与折扣关系的调查,折扣达到9折时,存在购买意愿的人群比例达到30%,8折时达到近80%。因此,通过建立充电桩将蓄电池储存的多余电量进行售卖,能够最大化光伏发电的收益,同时保证5年后的收益仍能维持在较高水平。

综上所述,提出的能量管理策略经济效果显著。

4 结 语

提出一种能量管理策略,综合考虑光照条件、负载情况、蓄电池充放电情况和峰谷电价因素,实现最优化的谷价蓄电方法。与传统能量管理策略相比,提出的能量管理策略可以提升发电利润25%,通过构建光储发电系统并进行测试验证,证明能量管理策略的有效性。