吴 敏

（中节能绿洲（北京）太阳能科技有限公司，北京 102627）

随着新能源行业的快速发展和智能电网技术的不断实践，分布式发电技术得到大力的发展。为推动分布式发电的应用，国家发展改革委2013年印发关于《分布式发电管理暂行办法》，提出对于分布式发电，电网企业应提供并网服务，政府给一定补贴等规定。家庭供电网络不在是单一的用电负荷的角色，而兼有发电的角色。家庭负载也不是单一的由交流电网供电，而是还有本地的分布式电源供电[1]。家庭能效管理与能源消费也不在是简单的用电管理，智能电网与家庭能效的管理是一种双向互动的方式，有很强的关联性[2]。家庭能效管理会主动参与到智能电网的综合控制中，达到电网可以给用户更经济更好的服务，同时家庭负荷可以通过避免电网高峰时段运行等方法确保电网更加安全有效的运行[3]。

智能电网与分布式电源的结合，催生了家庭微电网能效管理概念的提出和发展。近几年来已经有大量的研究和实践，分布式电源在家庭中的不断应用带动了整个行业发展模式的改变[4]。户用分布式发电中应用最多的是光伏发电，分布式光伏发电与储能结合起来可以实现对家庭能效的优化利用。光/储一体化智能逆变器可以实现光伏电池板和储能蓄电池同时接入电网运行，并通过对电池板和蓄电池的协调管理，实现最大功率并网发电、功率可调度并网发电和离网运行三种工作模式。将智能家庭能效管理策略与光/储一体化智能逆变系统结合可以实现家庭用电的优化控制，提高家庭用电经济性[5]。

本文提出一种基于光/储一体化智能逆变器的家庭能效管理策略，给出了家庭微电网系统的整体架构图，做了详细的介绍。通过对家庭能效管理的数学模型的分析提出一种针对分时电价的能效管理策略，达到家庭用电费用最低的目标，通过Matlab/Simulink仿真分析验证了控制算法的正确性。

1 基于智能逆变器的家庭微电网的系统整体架构模式

由各种分布式电源、储能单元、负荷以及监控和保护装置组成的集合，具有灵活的运行方式和可调度性能，能在并网运行和离网运行两种模式间切换，这是微电网的定义。而家庭微电网可以理解，在一户人家的用电网络具备上述定义中的功能和特点，我们就可以称之为家庭微电网。本文设计一种基于智能逆变器的家庭微电网系统，可以实现微电网的相关功能，并且使用设备数量很少，便于应用于安装分布式发电的用户家庭中。

1.1 光/储一体化智能逆变器功能简介

分布发电中用的并网逆变器的特点是功率等级小，但集成的功能较多，较传统并网逆变器更智能。光/储一体化智能逆变器可接入两路独立的光伏发电单元，和一路储能单元，具体结构示意图如图 1所示。

图1 智能逆变器系统结构

这里设计的系统，光伏电池板的电压一般在150V到300V左右，储能蓄电池系统的电压一般在45V到65V左右。逆变器主要有4部分组成，两个BOOST升压DC/DC变换器，用来接两路独立的光伏发电，可以实现升压、MPPT等功能；一个双向DC/DC变换电路，采用DAB拓扑结构，可以实现升、降压和对于蓄电池的充放电，通过对电池的充放电兼顾稳定直流BUS电压等功能；一个单相逆变电路，采用H桥结构，可以实现逆变并网、离网、PQ可调节等功能。

1.2 家庭微电网系统架构

图2为一个家庭微电网的系统柜图。从图中系统可以看出，本文设计的家庭微电网系统可以接入分布式光伏发电和储能蓄电池，并且应用智能逆变器，可以实现并网运行模式和离网运行两种工作模式。在并网工作的时候，输出的有功功率和无功功率的大小可以接受上层的控制指令。双向计量装置可以实现对用户与电网之间功率交换进行双向计量[6]。如果光伏发电的功率大于本地负载的用电功率，并且蓄电池的电量也充足的情况下，可以将多余的电量送到电网。在偏远山区或者电网不稳定的地区，可能出现电网故障或者电网不稳定的情况，此时系统可以断开并网开关，工作在独立模式，由光伏发电和蓄电池来提供电能，智能逆变器工作在电压源模式。

微电网监控系统和能量管理系统可以实现对系统中设备的监测与控制，根据具体目标和实际情况会加入能理管理策略在微电网的监控平台中[7]。LabVIEW以其入门简单，开发周期短，开发成本低等优点在中国得到了越来越多的应用[8]，本文中监控系统采用 LabVIEW 软件开发。智能逆变器通过485通信线与数据采集卡连接，本地负载或者控制本地负载的开关与通过485通信线与数据采集卡连接，能效管理系统直接与采集卡进行数据传输，最终实到对整个系统的综合管理。

图2 家庭微电网系统框图

2 家庭电力消费的数学模型

为了实现对家庭内涉及的电源和负荷进行能效优化利用的有效管理，要对所有发电电源和负载建立数字模型。本文中设计的数据采集系统每 3min采集一个数据，相关于把一天24h分为480个小时段，认为每个时段功率不变，通过光伏发电功率和负载用电功率，以及蓄电池发出功率关系，可以很容易得到以下功率平衡方程[9]：

式中，Pw(i)为i时段电网发出功率大小；Pg(i)为 i时段光伏发电发出功率大小；Pd(i)为i时段蓄电池发出功率大小；Pfg(i)为i时段负载总用电功率大小；负载总用电功率的大小就等于每个负载在 i时段之和，即

式中，Pf(i,n)为第n个负载在i时段用电功率大小。

为提高可再生能源的利用率，保证光伏发电的功率被充分利用一定是最经济的，光伏发电一定工作在 MPPT模式，Pg(i)的大小由光照等因素决定。Pfg(i)的大小由用户使用负载情况决定，为完全不影响用户对用电设备使用的限制，本文中对负载不进行过多管理。Pd(i)为蓄电池发出功率，可接受能效管理系统指令调度。

能量管理的目标，一定包括经济性，现在国内外有很多地区实行峰谷电价制度，这为能效管理实现控制目标提供了政策基础。以一天为一个周期，一天与电网产生的电费为

式中，Y为一天内与电网产生的电费；μi为i时段电网电价；Td为时间间隔3min，也就是0.05h。

由于系统中蓄电池的存在，所以要计算一天电力消费，还要考虑储能蓄电池的电量的改变情况，一天电力消费的计算式为

式中，Y0为一天内的总电力消费；ΔSOC为一天内的电池电量的增加值，单位kW·h；μb为蓄电池节省的与电网产生的用电费用的等价值；μi为 i时段电网电价，以北京市农业用电1000V以下峰谷电价为例。北京市出台政策规定，对于农业用电1000V以下情况，高峰时段为早8∶00—11∶00和晚18∶00到23∶00，电价为0.743元/kW·h；平峰时段为7∶00—8∶00和11∶00—18∶00，电价为0.516元/kW·h；低谷时段为23∶00—7∶00，电价为0.305元/kW·h。由此可以得到i时段的电价表达式如下：

由于蓄电池充电放电的时刻不同，电价不同，而且比较随机，本文中将蓄电池中的电量保守计算，μb取平峰电价0.516元/kW·h。

3 家庭能效管理控制策略

对于家庭能效管理的经济性目标来讲，能效管理的最终目标可以简化为，让Y0，也就是一天内的总电力消费最低。为了不影响用户的用电使用，本文只对光伏发电和储能蓄电池进行能效管理控制。

蓄电池的控制策略按不同时段和不同情况控制方向不同，可以总结为以下几点：

1）蓄电池有最低放电深度SOCmin。

2）蓄电池有最大充放电功率Pd(i)max。

3）在用电高峰时段，首先将光伏发电全部利用，光伏发电大于负荷功率时，多余电量充入电池。光伏发电小于负荷功率时，其余电量尽量由蓄电池提供，除非电量到SOCmin时，不够的用电量由电网补充。

4）在用电平峰时段，首先将光伏发电全部利用，光伏发电大于负荷功率时，多余电量充入电池。光伏发电小于负荷功率时，直接由电网补充。

5）在用电低谷时段，充分利用光伏发电，电池以最大充电功率充电，所有不足功率，从电网补充。

由以上几点控制原则，通过进一步优化后，可以总结出以下几个数字模型，进行对蓄电池充放电功率的优化控制：

平峰用电时i=(140～160)，(220～360)，有

对蓄电池的充放电控制要考虑电池的保护，所以有如下限制：

通过对蓄电池充放电功率的在不同时间段和不同发电、用电情况下的设定，实现对家庭能效的管理，达到电力消费最低化的目标。

4 仿真结果与分析

在理论研究的基础上，利用Matlab/Simulink进行仿真。仿真的数据输入采用实际采集的分布式光伏发电功率的数据和用户用电数据，整个系统光伏装机为5kW，储能蓄电池采用48V/60Ah锂电池。将光伏发电和用户用电功率在一天内的变化通过计量装置计量下来，作为仿真数据的输入数据。在Matlab中，加入能效管理算法，计算一天的总用电费用Y0的大小。

图3为北京某小学教学楼的装机5kW光伏系统的实测一天的发电数据曲线。图4为该小学教学楼在这一天的用电负荷曲线，可以看出早高峰和晚高峰用电功率较大。

图3 光伏发电功率曲线

图4 负载用电功率曲线

图5中，横坐标为时间间隔，为结果更加直观按小时显示；纵坐标为用用总费用Y0的大小。1号曲线为没有加入能效优化管理策略的Y0曲线，可以看出1号曲线随着时间的积累，用电费用在不断增加。到 24点时，Y0=7.45元；2号为加入能效优化管理策略之后的Y0曲线，从0点到早上7点左右，电费明显增加比较快，这是因为，不光负荷在用电，蓄电池还在向电网取电充电，因为这个时刻电费相对较为便宜。最终到24点时，不考虑电池内的存储的电量的情况下，电费为 Y0=6.90元。加入能效管理后，在这一天中向电网少交电费0.55元。蓄电池的电量变化如图6所示，负值表示功率由电网方向流入，也就是说到 24点蓄电池内存储电量6.1kW· h，如果保守计算按平峰电价放出的话，相当于节省电费3.15元左右。综合考虑，一天下来共节省电费3.70元。说明能量管理策略正确、有效。

图5 用电费用仿真结果对比

图6 蓄电池一天内电量变化

5 结论

本文对家庭系统的构建给出了详细的说明，对于智能逆变器的组成和功能进行了介绍。在此基础上，通过对家庭用电电源和负荷的深入分析，得到数学模式。并且以数学模型的形式，给出了能效管理的控制策略。最后用Matlab/Simulink对实际数据进行仿真计算，验证了能量管理算法的正确性和可行性。本文中为了不影响用户对负载的使用，对于负载没有进行管理，下一步工作可以进一步对负载进行分类，对于负载的工作功率大小和工作时段进行调节，实现更优化的能效管理策略。

[1] KEYHANIA, MARWALIMN, DAIM. 王志新, 王承民, 李旭光, 等译.绿色可再生能源与电力系统接入[M]. 北京: 中国电力出版社, 2013.

[2] Hyun SC, Yamazaki T, Minsoo H. Determining location of appliances from multi-hop tree structures of power strip type smart meters[J]. Consumer Electronics,IEEE Transactions on, 2009, 55(4): 2314-2322.

[3] Asad O, Erol-Kantarci M, Mouftah H. Sensor network web services for Demand-Side Energy Management applications in the smart grid[C]//Consumer Communications and Networking Conference (CCNC), 2011 IEEE, 2011: 1176-1180.

[4] Martins J F, Oliveira-Lima J A, Delgado-Gomes V, et al. Smart homes and smart buildings[C]//Electronics Conference (BEC), 2012 13th Biennial Baltic, 2012:27-38.

[5] 王伟, 何光宇, 万钧力, 等. 用户侧能量管理系统初控[J]. 电力系统自动化, 2012, 36(3): 10-15.

[6] 侯曦, 殳国华, 张士文. 数字双向多功能电度表设计[J]. 微处理机, 2007, 28(1): 16-18.

[7] 张建华, 苏玲, 陈勇, 等. 微网的能量管理及其控制策略[J]. 电网技术, 2011(7): 24-28.

[8] 洪宗海. 基于LabVIEW的数据采集分析系统开发[J].科技信息, 2011(29): 518-520.

[9] Chen Shengbo, Shroff N B, Sinha P. Heterogeneous delay tolerant task scheduling and energy management in the smart grid with renewable energy[J]. Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, 2013,31(7): 1258-1267.