一種光伏/市電互補供電系統功率自動分配方法

魯照權, 華 繪, 向偉偉

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

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一種光伏/市電互補供電系統功率自動分配方法

魯照權, 華 繪, 向偉偉

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

為了最大限度地提升光電互補供電系統的投入產出比,文章在給出了一種光電互補供電系統結構的基礎上,提出了一套功率自動分配方法。為了描述光伏電池的供電能力,建立了供電能力矩陣;根據不同負載的用電情況,建立了優先級矩陣;在考慮市電峰谷電價的基礎上,實現了功率分配的快速、自動、準確控制。實例分析表明該功率自動分配方法能大大提升光電互補系統的經濟效益。

光電互補;供電系統;功率自動分配;能量管理

光電互補供電系統將會成為很多家庭通用的供電模式,而功率自動分配方法是保證系統高效運行的核心技術,功率分配方法的優劣決定著相同投資下所獲得收益的高低。雖然,光伏市電互補供電系統目前已有應用,但是尚無合理完備的功率自動分配方法[1-4]。

近年來,光電互補供電系統功率分配方面的研究已有一些成果。文獻[5]提出了一種基于光伏電能質量合格或不合格的光伏或市電供電的電源切換控制器，該控制器根據光伏供電質量合格或不合格來決定是使用光伏發電還是市電。因此,無法進行光電與市電的混合使用,也無法最大限度地提升系統的投入與產出比。文獻[6]將系統工作模式分為光伏系統最大輸出功率大于負載所需功率、光伏系統最大輸出功率小于負載所需功率、光伏系統無法工作3種工作模式,并采用脈寬調制技術利用市電對系統進行能量補充,該系統雖然能夠在任何情況下保證系統的正常供電,但是,沒有考慮充分利用蓄電池儲能及市電峰谷電價等重要因素。

本文在充分考慮負載用電優先級、延長光伏供電時間、市電峰谷電價等要素的基礎上,建立負載用電優先級矩陣、光伏供電能力矩陣[7];基于負載用電優先級、蓄電池電量、市電峰谷時間等因素,提出了一套光電互補供電系統的功率優化自動分配方法。

1 光電互補供電系統結構

設光電互補供電系統結構如圖1所示,由光伏電池、蓄電池、充電模塊、整流模塊、市電、光伏充電控制開關K1、市電充電開關K2、光伏供電總開關KPV、蓄電池供電總開關KBAT、市電供電總開關KDC、負載i的光伏或蓄電池供電開關KPi(負載編號i=1,…,N)、負載i的市電供電開關KDi組成。為了簡化問題描述,假設系統直接采用直流供電。對于交流供電的負載,只要在電池的輸出端安裝一臺逆變器即可[8-10]。

圖1 光電互補供電系統結構

2 系統數學描述與控制規則

針對負載用電的緊迫性情況,設置高、低優先級矩陣;基于光伏電池供電能力,設置供電能力矩陣,并根據光伏功率的變化實時修正供電能力矩陣;基于最大限度地使用光伏電能、充分考慮市電峰谷電價,在系統設計容量下將市電電費降至最低的原則,制定各開關控制規則,實現功率的自動分配,最大限度地發揮光電互補供電系統的投入與產出比。

2.1 負載用電優先級矩陣

有些負載隨時可能使用,如計算機、電視機、照明、空調等,該類負載用電的緊迫性高,應設置為高優先級;可計劃使用的負載,如熱水器、電動車充電設備等負載用電的緊迫性低,應設置為低優先級。因此,對N個負載,可建立負載優先級矩陣PR,即

PR=[PRN,PR(N-1),…,PR2,PR1]

(1)

其中,PRi(i=1，…，N)代表相應負載的優先級。為了方便控制算法的實現,高優先級定義為1,低優先級定義為0。

2.2 光伏供電能力矩陣

受地區、季節、天氣、晝夜等環境因素的影響,光伏電池供電能力會不斷地變化。基于檢測結果,實時地掌握光伏電池供電能力,以便實施系統功率分配控制,建立并刷新供電能力矩陣UC,即

UC=[uN,uN-1,…,u2,u1]

(2)

其中,ui=1表示光伏電池對負載i有供電能力;ui=0表示光伏電池對負載i無供電能力,i=1,2,…,N。

(3)

設PLi、i=1,2,…,N均已知或可測量,令

；

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(4)

2.3 開關控制規則

K1為光伏給蓄電池充電開關,K1=1表示閉合,K1=0表示斷開;K2為市電給蓄電池充電開關,K2=1表示閉合,K2=0表示斷開。

檢測蓄電池電量,若其電量未達下限或已經充滿電,則斷開光伏充電開關K1、市電充電開關K2;若蓄電池電量已達下限,而光伏發電量正常且能夠滿足負載所需,則閉合光伏充電開關K1;若蓄電池電量已達下限、光伏發電量無法滿足負載所需,且處于市電最低電價時間內,則閉合市電充電開關K2;若蓄電池電量已達下限、光伏發電量無法滿足負載所需,且并非處于市電最低電價時間內,則斷開光伏充電開關K1、市電充電開關K2。其他開關的控制規則為:

KPV=u1+u2+…+uN

(5)

(6)

u=u1·u2·…·uN

(7)

KPi=ui·KPV+KBAT

(8)

(9)

其中,“+”表示“或”運算,“·” 表示“與”運算。KPV為光伏供電總開關,KPV=1表示閉合,KPV=0表示斷開;KBAT為蓄電池供電總開關,KBAT=1表示閉合,KBAT=0表示斷開;KDC為市電供電總開關,KDC=1表示閉合,KDC=0表示斷開;KPi為第i個負載的光伏或蓄電池供電開關,KPi=1表示閉合,KPi=0表示斷開;KDi為第i個負載的市電供電開關,KDi=1表示閉合,KDi=0表示斷開。

3 系統工作流程

光電互補供電系統的功率自動分配工作流程如圖2所示。

圖2 光電互補供電系統功率自動分配工作流程

系統工作流程步驟如下：

(1) 提取設定的負載用電優先級矩陣PR=[PRN,PR(N-1),…,PR2,PR1],其中,PRi(i=1,2,…,N)代表相應負載的優先級,高優先級定義為1,低優先級定義為0。

(2) 檢測光伏功率,刷新供電能力矩陣UC=[uN,uN-1,…,u2,u1],其中,ui=1表示光伏電池有供電能力；ui=0表示光伏電池無供電能力,i=1,2,…,N。

(3) 檢測蓄電池電量,若蓄電池電量未達下限或已經充滿電,則斷開光伏充電開關K1、市電充電開關K2;若蓄電池電量已達下限,而光伏發電量正常且能夠滿足負載所需,則閉合光伏充電開關K1;若蓄電池電量已達下限、光伏發電量無法滿足負載所需,且處于市電最低電價時間內,則閉合市電充電開關K2;若蓄電池電量已達下限、光伏發電量無法滿足負載所需,且并非處于市電最低電價時間內,則斷開光伏充電開關K1、市電充電開關K2。

(4) 分別計算光伏供電總開關KPV、蓄電池供電總開關KBAT、市電供電總開關KDC、第i個負載的光伏或蓄電池供電開關KPi、第i個負載的市電供電開關KDi的狀態,并輸出各個開關的狀態。

(5) 返回步驟(2)。

4 系統運行效益實例分析

根據上述功率分配方法,對小型家用光電互補系統進行模型的搭建,結合一年四季的負載使用特點,對負載使用情況進行分類并選取典型情況對上述功率分配方法進行驗證。考慮到夏季負載用電量最大,選用夏季晴天為例進行分析,見表1所列。

對常用負載分為高優先級和低優先級兩大類,并將高優先級定義為1,低優先級定義為0,對同一優先級下的多個負載也進行優先級劃分,編號越小的負載優先級越高。考慮到電冰箱、電飯煲、空調是間斷性工作的,故以額定功率為依據,折算出平均運行功率,更貼合實際情況。

為了方便分析,假設光伏電池工作在線性區,即忽略溫度、功率飽和等因素,輸出功率與輻照強度是正比關系。以合肥地區為例,對夏季晴天的典型輻照強度(水平面方向)和光伏系統輸出功率數據進行整理,見表2所列。

在充分考慮峰谷電價的前提下,進行幾種方法供電效益比較。已知合肥地區民用電單價為:0.595 3元/kWh(8:00-22:00),其他時段為0.315 3元/kWh。如果單純使用市電,本例中全部負載日均消耗峰電量為7.064 kW,谷電量為5.471 kW,電費為5.811元。

表1 夏季晴天負載用電情況

表2 夏季晴天的光伏系統工作情況

文獻[5]沒有明確衡量電能質量好壞的標準；為了將其量化,取光伏發電量完全滿足負載功率時切換成光伏供電,不滿足時完全用市電供電,計算出本例中日均消耗光伏發電量為3.430 kW,峰電量為3.574 kW,谷電量為5.531 kW,由此計算出日均電費為3.872元。

文獻[6]沒有充分考慮蓄電池儲能作用,在光伏系統最大輸出功率大于負載所需功率時用光伏供電,光伏系統最大輸出功率小于負載所需功

率時用光伏和市電互補供電,在光伏系統無法工作時完全由市電供電,計算出本例中日均消耗光伏發電量為3.819 kW,峰電量為3.185 kW,谷電量為5.531 kW,由此計算出日均電費為3.640元。

本文提出的分配方法充分利用了光伏發電和蓄電池儲能。由表1可得晝夜負載耗電量為:

Q2=48×5+30×24+75×3+60×5+

130×5+200×1+500×10+600×2+

1 000×1+1 000×2+200×5=12 535 W·h。

由表2可得晝夜光伏發電總量為9 183 W·h,其中白天負載使用光伏電量為2 819 W·h,白天市電供電量為301 W·h,蓄電池白天儲能為6 364 W·h,考慮逆變器效率為90%,得到蓄電池可提供有效電能為6 364×90%=5 727.6 W·h。夜間市電供電量為:

12 535-2 819-5 727.6-301=

3 587.4 W·h。

因此,日均用電費用為:0.595 3×0.301+0.315 3×3.587≈1.310元。

3種分配方法用電費用比較見表3所列,表3中晝夜光伏發電總量為9 183W·h,其中蓄電池儲能為6 364W·h,由于受逆變器效率影響,不能完全利用,因此8.647kW·h為光伏發電總量實際可用瓦時數。

表3 3種分配方法用電費用比較

5 結 論

本文綜合考慮了負載用電優先級、光伏實時發電能力、市電峰谷電價、蓄電池儲能等要素,提出的光電互補供電系統的功率自動分配方法既大大提高了經濟效益,又達到了低碳環保的效果,具有極高的推廣應用價值。

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(責任編輯 張 镅)

An automatic power allocation method of photovoltaic/electricity complementary power supply system

LU Zhaoquan, HUA Hui， XIANG Weiwei

(School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to maximize the ratio of the input and output about photovoltaic complementary power supply system, a set of automatic allocation methods for power optimization is proposed based on the structure of a kind of photoelectric complementary power supply system. In order to describe the power supply capacity of photovoltaic cells， the power supply capacity matrix is presented. A priority matrix is established for the use of different loads. Considering the peak and valley price, a set of power optimization allocation algorithms is proposed which can achieve the fast, automatic and accurate control of the system. An example is given to verify that the proposed method can greatly improve the economic benefits of the photovoltaic complementary system.

photovoltaic complementary; power supply system; automatic power allocation; energy management

2015-12-07；

2016-03-07

合肥工業大學產學研校企合作資助項目(W2014JSKF0407)

魯照權(1962-),男,安徽廬江人,博士,合肥工業大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.07.011

TM615；TM761.22

A

1003-5060(2017)07-0917-05