基于家庭分布模式下的光伏并网系统

2018-02-16张帆

通信电源技术 2018年12期

张帆

（国网河南省电力公司罗山县供电公司，河南罗山 464200）

1 计及户用分布式光伏发电系统的家庭能效管理系统

智能家居是在家庭网络通信系统的基础上对家用电器电源系统进行控制，从而实现对家用电器运行状态的监测，从而更加便捷地控制电器。分布式光伏发电具有巨大的环保和经济效益，现阶段获得了国家的大力推广。随着国家政策的改变，家庭光伏发电可以并入电网，光伏发电系统应用更趋于广泛。基于此，将分布式光伏发电系统和智能家居管理有效结合，结合智能家居高效节能的方式，更好地管理光伏系统的发电和家用电器用电情况[1]。针对电网分时电价和光伏发电系统中蓄电池的充放电，设计更合理的家庭用电策略，使得运用光伏发电系统的家庭经济效益趋于更佳。

计及户用分布式光伏发电系统的智能家居系统，由分布式光伏发电系统、中央电池管理模块、逆变器、电表、通信网络以及家用电器等组成，如图1所示。太阳能发电板通过MPPT模块与具有电池充电管理模块的蓄电池相连接。如果蓄电池电力不足且光伏发电板发出的电力充足时，它向蓄电池提供多余的电量；当光伏发电板发出的电力不足时，蓄电池向家用电器供电。

光伏发电板发出的直流电经过逆变器后产生220 V、50 Hz的电能，电能经过单向电表后计算出光伏电板的发电量，便于计算政府补助。电能经过单向电表后，电路分成两路，其中一路和公共电网相连。当光伏电板发电量过多时，它向电网出售剩余电；当光伏电板产生的电量不足以向家庭电器供电时，则电网通过双向电表向家用电器供电[2]。家庭网络通信是智能家居和能效管理的基础，无线通信网络的代表技术主要有ZigBee、WiFi等。由于ZigBee具有便于安装和维护的特点，所以近些年发展速度较快。

图1 智能家居结构

2 基于ZigBee的家庭能效管理系统

本文是基于ZigBee技术设计的家庭能效管理系统，如图2所示。该系统将家庭电器设备作为系统的一个节点，将每个电器节点进行远程控制并采集用电和运行信息。协调点将收集到的信息传输到中央调制器，并分析电器节点用电信息，计算最优化的用电策略，进而控制器通过协调点向每一个电器节点发送运行控制指令，控制家用电器的运行，使得家庭电器设备用电达到最佳的经济状态。同时，通过AMI网络收集统计小区内各个家庭的用电信息，并上传到电力公司。

图2 家庭能效管理系统

3 应用于家庭能效管理系统分布式的计算方法

基于家庭分布模式下的光伏并网系统实质是一个数学优化问题。此问题包括三要素，分别是决策变量、目标函数和约束条件，同时也决定着优化问题的类型。

该优化问题的决策变量是各用户的光伏出力和各用户的0-1参与变量。其中，光伏出力如果是确定值，那么优化问题就是确定性优化；如果光伏出力是不确定变量，那么优化问题就是不确定性优化。如果光伏出力是某个范围内的连续量，则优化问题是混合整数优化；如果光伏出力是某个范围内的离散值，则优化问题是离散优化。

当优化问题是标准形式时，可以按照现有的优化方法求解；当优化问题不是标准形式时，需要先对优化问题进行转化，变为相应的优化问题标准型再进行求解。

标准形式优化问题可以利用成熟的软件进行求解。CPLEX作为一款主流求解优化问题的商业软件，被广泛应用在优化问题的求解中。CPLEX可以求解较大规模的线性规划、二次规划和混合整数规划等，利用的方法主要是单纯形法、分支定界法和启发式算法等。如果优化问题是确定性优化问题，可以利用CPLEX求解器求解[3]。

当优化问题不是标准形式时，需要首先利用最优化理论将优化问题转化为已有的模型进行求解。转化的过程主要是对目标函数和约束条件线性化，将相关约束条件松弛、将优化问题分解为子问题等，然后再对转化后的模型进行求解。

在对模型进行求解时，除了使用传统的数学优化求解方法，还可以选择人工智能方法，如遗传算法、粒子群算法等。虽然人工智能方法不具有数学规划方法的快速收敛性和稳定性，但是通过对人工智能方法的改进和混合，可以得到处理较为复杂优化问题的求解方法。特别需要指出，对于不确定性规划，除了极少数可以转化为确定性优化，人工智能方法是其求解的主要算法。

上面针对的是集中式优化，也是目前较多提及的优化方式。但是，当用户数量增多、特性变得更加复杂多变时，集中式优化调度中心和需求响应资源会交互大量信息，大大增加了通信成本和调控代价，进行优化决策时会出现“维数灾”，甚至不能得到满足要求的计算结果。因此，集中式优化在面对大规模用户优化问题时具有一定的缺陷。

分布式优化是解决集中式优化计算的复杂方法。目前，文献研究了一些分布式优化问题，其中一类分布式优化是分解协调算法，研究较多的是基于数学规划理论的交替方向乘子法、拉格朗日松弛法、Dantzig-Wolfe分解和Benders分解等。这些分解协调算法根据电力网络的特点或者模型中要素的特征分解为子问题，较多应用在电力系统经济调度问题中。另一类分布式优化是全分布式算法，研究较多的是基于一致性算法的一阶分布式算法，且较多应用在含有发电机和分布式电源的电力系统经济调度中。面对特性多样、大量的需求响应资源参与组合优化问题，上述分布式优化应用前景广阔，值得进一步研究[4]。

4 工程应用实践

家庭分布式光伏电站项目案例在国内外已经有一些应用实践。南京市六合区马鞍街道开展了家庭光伏电站项目，此光伏电站需要12块太阳能电池板，采用某品牌的255 W多晶硅组件，装机容量为3 060 W。逆变器采用经多个项目实践运行稳定的国内十大品牌欧姆尼克3 kW光伏并网逆变器，最大直流输入电压为500 V，MPPT电压范围80～360 V。此系统分1路12串，采用1×4 mm2直流电缆到逆变器，之后经3×6 mm2交流电缆到光伏配电箱。考虑到户外太阳照射、雨雪天气长久耐用，选用过欠压脱扣器、漏电保护器、防雷浪涌等电器件。完善标准规范体系，指导和监督不同地域、不同建筑类型、新建、既有民用建筑屋顶安装光伏发电系统，严格产品标准，强化运维服务。做好配网和并网接入服务，保障家庭屋顶光伏按期并网，落实光伏发电附加电价补贴。创新发展家庭屋顶光伏商业模式，抓好示范推广，不断完善金融服务。家庭分布式光伏项目的开展有利于促进居民用户用电的多样性，同时需要进一步完善相关技术，使得家庭光伏项目能够继续广泛开展[5]。