基于家庭分布模式下的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

張 帆

（國網(wǎng)河南省電力公司羅山縣供電公司，河南 羅山 464200）

1 計(jì)及戶用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的家庭能效管理系統(tǒng)

智能家居是在家庭網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對家用電器電源系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對家用電器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，從而更加便捷地控制電器。分布式光伏發(fā)電具有巨大的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)階段獲得了國家的大力推廣。隨著國家政策的改變，家庭光伏發(fā)電可以并入電網(wǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用更趨于廣泛。基于此，將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和智能家居管理有效結(jié)合，結(jié)合智能家居高效節(jié)能的方式，更好地管理光伏系統(tǒng)的發(fā)電和家用電器用電情況[1]。針對電網(wǎng)分時電價和光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池的充放電，設(shè)計(jì)更合理的家庭用電策略，使得運(yùn)用光伏發(fā)電系統(tǒng)的家庭經(jīng)濟(jì)效益趨于更佳。

計(jì)及戶用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)，由分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、中央電池管理模塊、逆變器、電表、通信網(wǎng)絡(luò)以及家用電器等組成，如圖1所示。太陽能發(fā)電板通過MPPT模塊與具有電池充電管理模塊的蓄電池相連接。如果蓄電池電力不足且光伏發(fā)電板發(fā)出的電力充足時，它向蓄電池提供多余的電量；當(dāng)光伏發(fā)電板發(fā)出的電力不足時，蓄電池向家用電器供電。

光伏發(fā)電板發(fā)出的直流電經(jīng)過逆變器后產(chǎn)生220 V、50 Hz的電能，電能經(jīng)過單向電表后計(jì)算出光伏電板的發(fā)電量，便于計(jì)算政府補(bǔ)助。電能經(jīng)過單向電表后，電路分成兩路，其中一路和公共電網(wǎng)相連。當(dāng)光伏電板發(fā)電量過多時，它向電網(wǎng)出售剩余電；當(dāng)光伏電板產(chǎn)生的電量不足以向家庭電器供電時，則電網(wǎng)通過雙向電表向家用電器供電[2]。家庭網(wǎng)絡(luò)通信是智能家居和能效管理的基礎(chǔ)，無線通信網(wǎng)絡(luò)的代表技術(shù)主要有ZigBee、WiFi等。由于ZigBee具有便于安裝和維護(hù)的特點(diǎn)，所以近些年發(fā)展速度較快。

圖1 智能家居結(jié)構(gòu)

2 基于ZigBee的家庭能效管理系統(tǒng)

本文是基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)的家庭能效管理系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)將家庭電器設(shè)備作為系統(tǒng)的一個節(jié)點(diǎn)，將每個電器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制并采集用電和運(yùn)行信息。協(xié)調(diào)點(diǎn)將收集到的信息傳輸?shù)街醒胝{(diào)制器，并分析電器節(jié)點(diǎn)用電信息，計(jì)算最優(yōu)化的用電策略，進(jìn)而控制器通過協(xié)調(diào)點(diǎn)向每一個電器節(jié)點(diǎn)發(fā)送運(yùn)行控制指令，控制家用電器的運(yùn)行，使得家庭電器設(shè)備用電達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。同時，通過AMI網(wǎng)絡(luò)收集統(tǒng)計(jì)小區(qū)內(nèi)各個家庭的用電信息，并上傳到電力公司。

圖2 家庭能效管理系統(tǒng)

3 應(yīng)用于家庭能效管理系統(tǒng)分布式的計(jì)算方法

基于家庭分布模式下的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是一個數(shù)學(xué)優(yōu)化問題。此問題包括三要素，分別是決策變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件，同時也決定著優(yōu)化問題的類型。

該優(yōu)化問題的決策變量是各用戶的光伏出力和各用戶的0-1參與變量。其中，光伏出力如果是確定值，那么優(yōu)化問題就是確定性優(yōu)化；如果光伏出力是不確定變量，那么優(yōu)化問題就是不確定性優(yōu)化。如果光伏出力是某個范圍內(nèi)的連續(xù)量，則優(yōu)化問題是混合整數(shù)優(yōu)化；如果光伏出力是某個范圍內(nèi)的離散值，則優(yōu)化問題是離散優(yōu)化。

當(dāng)優(yōu)化問題是標(biāo)準(zhǔn)形式時，可以按照現(xiàn)有的優(yōu)化方法求解；當(dāng)優(yōu)化問題不是標(biāo)準(zhǔn)形式時，需要先對優(yōu)化問題進(jìn)行轉(zhuǎn)化，變?yōu)橄鄳?yīng)的優(yōu)化問題標(biāo)準(zhǔn)型再進(jìn)行求解。

標(biāo)準(zhǔn)形式優(yōu)化問題可以利用成熟的軟件進(jìn)行求解。CPLEX作為一款主流求解優(yōu)化問題的商業(yè)軟件，被廣泛應(yīng)用在優(yōu)化問題的求解中。CPLEX可以求解較大規(guī)模的線性規(guī)劃、二次規(guī)劃和混合整數(shù)規(guī)劃等，利用的方法主要是單純形法、分支定界法和啟發(fā)式算法等。如果優(yōu)化問題是確定性優(yōu)化問題，可以利用CPLEX求解器求解[3]。

當(dāng)優(yōu)化問題不是標(biāo)準(zhǔn)形式時，需要首先利用最優(yōu)化理論將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為已有的模型進(jìn)行求解。轉(zhuǎn)化的過程主要是對目標(biāo)函數(shù)和約束條件線性化，將相關(guān)約束條件松弛、將優(yōu)化問題分解為子問題等，然后再對轉(zhuǎn)化后的模型進(jìn)行求解。

在對模型進(jìn)行求解時，除了使用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)優(yōu)化求解方法，還可以選擇人工智能方法，如遺傳算法、粒子群算法等。雖然人工智能方法不具有數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的快速收斂性和穩(wěn)定性，但是通過對人工智能方法的改進(jìn)和混合，可以得到處理較為復(fù)雜優(yōu)化問題的求解方法。特別需要指出，對于不確定性規(guī)劃，除了極少數(shù)可以轉(zhuǎn)化為確定性優(yōu)化，人工智能方法是其求解的主要算法。

上面針對的是集中式優(yōu)化，也是目前較多提及的優(yōu)化方式。但是，當(dāng)用戶數(shù)量增多、特性變得更加復(fù)雜多變時，集中式優(yōu)化調(diào)度中心和需求響應(yīng)資源會交互大量信息，大大增加了通信成本和調(diào)控代價，進(jìn)行優(yōu)化決策時會出現(xiàn)“維數(shù)災(zāi)”，甚至不能得到滿足要求的計(jì)算結(jié)果。因此，集中式優(yōu)化在面對大規(guī)模用戶優(yōu)化問題時具有一定的缺陷。

分布式優(yōu)化是解決集中式優(yōu)化計(jì)算的復(fù)雜方法。目前，文獻(xiàn)研究了一些分布式優(yōu)化問題，其中一類分布式優(yōu)化是分解協(xié)調(diào)算法，研究較多的是基于數(shù)學(xué)規(guī)劃理論的交替方向乘子法、拉格朗日松弛法、Dantzig-Wolfe分解和Benders分解等。這些分解協(xié)調(diào)算法根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)或者模型中要素的特征分解為子問題，較多應(yīng)用在電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題中。另一類分布式優(yōu)化是全分布式算法，研究較多的是基于一致性算法的一階分布式算法，且較多應(yīng)用在含有發(fā)電機(jī)和分布式電源的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中。面對特性多樣、大量的需求響應(yīng)資源參與組合優(yōu)化問題，上述分布式優(yōu)化應(yīng)用前景廣闊，值得進(jìn)一步研究[4]。

4 工程應(yīng)用實(shí)踐

家庭分布式光伏電站項(xiàng)目案例在國內(nèi)外已經(jīng)有一些應(yīng)用實(shí)踐。南京市六合區(qū)馬鞍街道開展了家庭光伏電站項(xiàng)目，此光伏電站需要12塊太陽能電池板，采用某品牌的255 W多晶硅組件，裝機(jī)容量為3 060 W。逆變器采用經(jīng)多個項(xiàng)目實(shí)踐運(yùn)行穩(wěn)定的國內(nèi)十大品牌歐姆尼克3 kW光伏并網(wǎng)逆變器，最大直流輸入電壓為500 V，MPPT電壓范圍80～360 V。此系統(tǒng)分1路12串，采用1×4 mm2直流電纜到逆變器，之后經(jīng)3×6 mm2交流電纜到光伏配電箱。考慮到戶外太陽照射、雨雪天氣長久耐用，選用過欠壓脫扣器、漏電保護(hù)器、防雷浪涌等電器件。完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，指導(dǎo)和監(jiān)督不同地域、不同建筑類型、新建、既有民用建筑屋頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，嚴(yán)格產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化運(yùn)維服務(wù)。做好配網(wǎng)和并網(wǎng)接入服務(wù)，保障家庭屋頂光伏按期并網(wǎng)，落實(shí)光伏發(fā)電附加電價補(bǔ)貼。創(chuàng)新發(fā)展家庭屋頂光伏商業(yè)模式，抓好示范推廣，不斷完善金融服務(wù)。家庭分布式光伏項(xiàng)目的開展有利于促進(jìn)居民用戶用電的多樣性，同時需要進(jìn)一步完善相關(guān)技術(shù)，使得家庭光伏項(xiàng)目能夠繼續(xù)廣泛開展[5]。

5 結(jié) 論

綜上所述，首先介紹了計(jì)及戶用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的家庭能效管理系統(tǒng)，闡述了各用戶單元的結(jié)構(gòu)，研究了電力公司是如何控制這些用戶的。目前，該能效管理系統(tǒng)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制策略還需要進(jìn)一步的研究。