直流用电用户的综合用能方法设计

施光华

（长安益阳发电有限责任公司，湖南 益阳 413000）

0 引言

对于现今的广大交流用电用户来说，其家用电器是通过各自配备的降压整流装置将工频交流电转变成家用电器能使用的低压直流电来工作，这必然使得电器设备制造成本增加，所以用户使用的电器设备越多，对应的采购成本就越高；而厂家由于技术上和成本上的限制，不能将家用电器的整流降压装置的效率做得高，这使得交流用电用户用电成本的增加以及能源利用率的降低[1]。

而随着新能源、新材料、电力电子技术的发展，直流配电技术也得以研究与发展，相对于交流配电技术直流配电技术的低损耗、高可靠性及优秀的分布式电源接入能力的优势将日渐凸显，越来越多的直流用电用户也将随之出现。

另一方面，而综合能源的推广和发展使得用电用户不再局限于从电网或供电公司购电，太阳能、风能、燃气这些综合能源的使用也将逐渐推广于用电用户中，而用电用户难以做到灵活高效优化地管理综合能源及供用电单元。

1 综合用能技术

针对现有技术存在的问题及直流用电用户的需求，提供一种科学合理，适用性强，应用效果佳的适用直流用电用户的综合能源优化用能方法，该方法能够高效利用综合能源，减小直流用电用户的投入成本。

解决其技术问题采用的技术方案是：一种适用直流用电用户的综合能源优化用能方法，图1为综合能源优化用能方法框图，它包括以下内容：

（1）涉及的电力能源供给系统或设备：①直流配电网通过直流导电线路连接直流-直流双向变流器向直流用电系统供电；②光伏发电系统利用光伏电池发电向直流用电系统供电；③燃气发电系统基于燃气、购电成本差价利用燃气发电向直流系统供电，同时为燃气负荷直接提供燃气；④储能系统用于平衡光伏发电、燃气发电、电动汽车、各类电气负荷间的能量平衡，根据需要向直流用电系统供电；⑤电动汽车根据需要向直流用电系统供电：在用电低谷电价期间充电，在用电高峰期释放电能，以有助于系统调峰。

（2）涉及的电气负荷。包括空调、电冰箱、照明负荷及其它直流电气负荷。

（3）涉及的燃气负荷，使用燃气进行工作的负荷。

（4）涉及的空气能热水系统。空气能热水系统与空调联动，以提高工作效率，减少两者的总用电量；①在空调制热时空气能热水系统为空调提供热空气以减少空调用电；②在空调制冷时空气能热水系统接收空调外机提供的热空气以减少空气能热水系统用电。

（5）涉及的冬季补风系统。根据室外及电冰箱温度差，冬季补风系统为电冰箱提供全部或部分制冷。

（6）涉及的导光管日光照明系统。通过导入白天的室外太阳光，导光管日光照明系统为室内提供白天照明。

（7）涉及的直流-直流双向变流器，根据电能传输需要实现直流电能双向传输调控。

（8）涉及的直流导电线路，直流电力能源传输线路。

（9）涉及的通信通道。适用直流用电用户的综合能源优化用能中各个系统及设备与综合能源优化用能管理单元间的信息传送通道。

（10）涉及的燃气输送管道，用于燃气的输送。

（11）涉及的空气输送管道，用于空气的输送。

（12）涉及的导光通道，用于传导太阳光。

（13）涉及的综合能源优化用能管理单元。

2 综合用能优化方法

依据图1，基于上节分析思路建立综合优化用能数学模型。

图1 综合能源系统示意图

2.1 优化目标

公式（1）中：“min”是求最小运算函数，Fall是总用电成本，Fbuy是购电用电成本，Fbattery是储能系统使用成本，FEV是电动汽车电池使用成本，Fair.heater是空气能热水系统使用成本，Fad是空调使用成本，Ffridge是冰箱使用成本，Fwind是冬季补风系统使用成本，Fgas是燃气发电系统的使用成本。

公式（9）中，Pgas(t)是燃气功率，Cdep-gas(t)是燃气单位功率折旧成本。

2.2 约束条件

直流-直流双向变流器工作功率不超过其容量限制值，储能系统容量充电和发电不超过其容量限制值，燃气发电系统工作功率不超过其容量限制值，光伏发电系统工作功率不超过其容量限制值，电动汽车工作功率不超过其容量限制值，照明负荷工作功率不超过其容量限制值，空气能热水系统工作功率不超过其容量限制值，空调工作功率不超过其容量限制值，冰箱工作功率不超过其容量限制值，冬季补风系统工作功率不超过其容量限制值，燃气负荷工作功率不超过其容量限制值，其他直流负荷工作功率不超过其容量限制值[2]。

公式（10）中，Pgenerate发电和购电总功率，PL是负荷用电总功率。

公式（11）中，Pgas-L是燃气发电系统发电功率，Psolar-L是光伏发电系统发电功率。

公式（12）中，Plight是照明负荷用电功率，Pother.load是其他直流电气负荷用电功率。

参照图2，利用本文设计的一种适用直流用电用户的综合能源优化用能方法，冬季补风系统与电冰箱未联动时，在夏季冬季补风系统功率较其他季节更低，而冬季的功率最高，电冰箱功率则是夏季功率更高；而在冬季补风系统与电冰箱联动之后，根据室外及电冰箱温度差，冬季补风系统抽取室外冷空气为电冰箱提供全部或部分制冷，使得冬季电冰箱的功率下降。

图2 冬季补风系统与电冰箱年度功率曲线示意图

参照图3，利用本文设计一种适用直流用电用户的综合能源优化用能方法，燃气发电系统基于燃气、购电成本差价利用燃气发电向直流用电系统供电，使用燃气发电系统后直流用电系统的总用电成本得以明显降低[3]。

图3 燃气发电系统使用前后年度用电成本曲线示意图

参照图4，利用本文设计一种适用直流用电用户的综合能源优化用能方法，电动汽车根据需要向直流用电系统供电，在用电低谷电价期间充电，在用电高峰期释放电能，在经电动汽车调峰调谷后直流用电系统的总用电成本得以明显降低。

图4 电动汽车调峰调谷前后年度用电成本曲线示意图

参照图5，利用本文设计一种适用直流用电用户的综合能源优化用能方法，在空调制冷时空气能热水系统接收空调外机提供的热空气以减少空气能热水系统用电，在与空调联动后空气能热水系统功率明显下降。

图5 空调制冷时相关设备日功率曲线示意图

参照图6，利用本文设计一种适用直流用电用户的综合能源优化用能方法，在空调制热时空气能热水系统为空调提供热空气以减少空调用电，在与空气能热水器联动后空调的功率明显下降。

图6 空调制热时相关设备日功率曲线示意图

基于图2至图6的分析，本文设计的一种适用直流用电用户的综合能源优化用能方法的特点是，将直流供电、直流用电、综合能源利用三者之间进行科学合理的协调和优化。

3 结语

本文设计了一种直流配用电综合用能优化方法。其中，直流配电网通过直流-直流双向变流器向直流用电系统供电，燃气发电系统与光伏发电系统为直流用电系统供电；储能系统和电动汽车用于调节系统能量平衡；燃气发电系统同时为燃气负荷直接提供燃气，冬季补风系统与电冰箱联动引进冷风降低电冰箱功率，空气能热水系统与空调联动以降低两者功率，导光管日光照明系统为室内提供日间照明；最终综合能源优化用能管理单元通过通信通道对各个单元进行优化管理，能够达到高效利用综合能源，减小直流用电用户的投入成本。具有方法科学合理，适用性强，应用效果佳等优点[4]。