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摘要：隨著我國電力體制改革的深化，分布式清潔能源的建設(shè)正越來越迅速。改革要求全面放開用戶側(cè)分布式電源市場，放開用戶側(cè)分布式電源建設(shè)。推廣建設(shè)家庭智能微電網(wǎng)，是當(dāng)前分布式電源建設(shè)的發(fā)展趨勢。文章從家庭用電負(fù)荷特征分析著手，基于當(dāng)前我國家庭分布式電源的建設(shè)，提出了當(dāng)前家庭微電網(wǎng)的構(gòu)建方式，包括電源建設(shè)、微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、儲能方案、電網(wǎng)接入模式。通過分析比較，提出了一種優(yōu)化的家庭智能微電網(wǎng)構(gòu)建方案。 (作者：上海國孚電力設(shè)計工程有限公司) 0.引言 隨著我國電力體制改革的深化，中發(fā)〔2015〕9號文“中共中央國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見”要求全面放開用戶側(cè)分布式電源市場，放開用戶側(cè)分布式電源建設(shè)，支持企業(yè)、機(jī)構(gòu)、社區(qū)和家庭根據(jù)各自條件，因地制宜投資建設(shè)太陽能、風(fēng)能等各類分布式電源。分布式清潔能源的建設(shè)正越來越迅速。推廣建設(shè)家庭智能微電網(wǎng)，是當(dāng)前分布式電源建設(shè)的發(fā)展趨勢。在美國，已面臨“電網(wǎng)脫網(wǎng)危機(jī)”，電網(wǎng)已經(jīng)不能阻止光伏+儲能用戶對它們的削弱。受成本下降和政府鼓勵的雙重影響，越來越多的美國家庭和公司開始自己生產(chǎn)電能，這一趨勢正在威脅主導(dǎo)了美國和世界130年的集中化電力生產(chǎn)模式。公用事業(yè)公司，比如電網(wǎng)，越發(fā)對商業(yè)環(huán)境的變化感到不適，其中真正的原因在于“負(fù)荷脫網(wǎng)”——而這在未來卻是一種必然[1]。 家庭用電負(fù)荷脫網(wǎng)，意味著家庭可以自己構(gòu)建電網(wǎng)，即建設(shè)微電網(wǎng)。微電網(wǎng)構(gòu)建除了本身的用電負(fù)荷不需要搭建選擇外，其他需要考慮的有：電源、儲能設(shè)備的建設(shè)，以及網(wǎng)絡(luò)方案的選擇、微電網(wǎng)與主電網(wǎng)的接入方案等。 1.家庭用電負(fù)荷分類及統(tǒng)計 根據(jù)家用電器的特性和用途大體分為：照明類、電熱類、電動類、信息類、充電類。 1.1家庭用電負(fù)荷的分類 照明類—日光燈管、LED燈、節(jié)能燈等，現(xiàn)在白熾燈家用得越來越少。 電熱類—目前使用率較高的普通家電有：電淋浴器、空調(diào)器、電燙斗、電炒鍋、電飯鍋、電烤箱、電取暖器等，微波爐、消毒碗柜，也可歸為這類。 電動類—目前使用率較高的普通家電有：電冰箱、空調(diào)器、洗衣機(jī)、風(fēng)扇、吸塵器、抽油煙機(jī)等。 信息類—主要為電子產(chǎn)品，有電視機(jī)、音響、計算機(jī)、家庭影院等。 充電設(shè)備—電瓶助力車、各類便攜式設(shè)備的充電(計算機(jī)、手機(jī)、PAD、充電寶)等，電動汽車目前家用還不是很普遍，一般歸為小區(qū)用電負(fù)荷。 1.2家庭用電負(fù)荷統(tǒng)計 住宅用電的對象為廣大普通群眾，家用電器有很大的隨意性、突發(fā)性、波動性。隨著近年來國家經(jīng)濟(jì)高速增長，目前用電設(shè)備增加，因此，正確確定用電的負(fù)荷尤為重要。過去常按2kW/戶計算的單位容量來確定每戶負(fù)荷的方法，已不適應(yīng)家庭用電負(fù)荷日益增長的現(xiàn)狀。一般家庭用電負(fù)荷統(tǒng)計參見下表1-1。 表1-1家庭用電負(fù)荷統(tǒng)計
家庭用電高峰一般出現(xiàn)在早晚，白天用電高峰時段不固定，節(jié)假日用電比平常用電要高些。白天非節(jié)假日用電負(fù)荷主要是電冰箱及各類待機(jī)負(fù)荷。用電最大的家用電器是空調(diào)、電取暖器。以8月份夏季用電負(fù)荷為例，對中等收入普通家庭可能同時使用的家電情況，統(tǒng)計見下表1-2。 采用需要系數(shù)法求計算負(fù)荷，將表1-2中的總計值作為半小時最大負(fù)荷P30，則需要系數(shù)Kc=P30/Pe=0.46,Pe按表1-1總計范圍平均值選13kW取，計算負(fù)荷Pjs=Kc*Pe=6kW。 1.1用電負(fù)荷供電要求 從供電中斷對對家庭生活造成的影響來看，可將負(fù)荷按重要級別進(jìn)行分類。最重要的負(fù)荷是照明類，其次是信息類。電動類中空調(diào)設(shè)備中斷供電，將影響家庭的正常生活，其他設(shè)備重要程度可歸為最低，充電設(shè)備類中與信息相關(guān)的充電設(shè)備，其重要程度應(yīng)為最高。電動助力車的充電與電加熱設(shè)備應(yīng)歸為重要程度最低的用電負(fù)荷。 表1-2家庭同時用電負(fù)荷統(tǒng)計 2.家庭分布式電源方案 能夠成為家庭分布式電源的能源，主要以屋頂太陽能光伏發(fā)電為主，一般只能選擇一種能源作為家庭供電電源。 對大型家簇，還可利用多種分布式能源。如水力資源較好、處于有利地理位置優(yōu)勢的，也可以添設(shè)水力發(fā)電。對依山傍水的家庭別墅，能夠建設(shè)屋頂太陽光伏發(fā)電時，如果地理位置獨(dú)特，還可設(shè)想發(fā)展抽水蓄能，實(shí)現(xiàn)白天晚上循環(huán)供電。對風(fēng)力資源豐富的近海家庭別墅，這些地區(qū)還可以增設(shè)風(fēng)力發(fā)電。經(jīng)常鍛煉養(yǎng)身的家庭，還可利用體育鍛煉的機(jī)會，將鍛煉產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，可短時為家庭提供另一電能。 另外，柴油發(fā)電機(jī)還可作為應(yīng)急發(fā)電電源。 從上節(jié)可知，對高等家庭，需配置6kW的電源，對中等家庭，建議配與80%的最高負(fù)荷匹配即可，即4.8kW的發(fā)電電量。如只提供保證重要負(fù)荷供電的電量，即只滿足照明類、信息類供電負(fù)荷要求，同時又能保證基本生活質(zhì)量，盡量可滿足空調(diào)負(fù)荷的供電，所需的發(fā)電電量由表1-2統(tǒng)計宜為4kW。 3.家庭分布式電源的儲能方案 家庭分布式電源儲能方案的選擇，與供電電源的電量、以及供電持續(xù)的時間有關(guān)，也與家庭負(fù)荷的構(gòu)成、用電時段的分布有關(guān)。 顯然，對以屋頂太陽能光伏發(fā)電為主的分布式家庭能源，供電的持續(xù)時間與當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件有關(guān)，即安裝地點(diǎn)的最大連續(xù)陰雨天數(shù)有關(guān)。供電電量與所選的太陽能光伏板種類、光伏板面積以及太陽光伏板的傾角有關(guān)。 家庭負(fù)荷的構(gòu)成，在家庭裝飾完成、家用電器配置完成后，在一段時期內(nèi)，基本維持不變。但這些家用電器的用電時段，卻具有間歇性、突發(fā)性，而且可人為進(jìn)行主動控制以最恰當(dāng)?shù)臅r段投入運(yùn)行。 以鉛酸蓄電池作為儲能方案的蓄電池容量選擇公式如下式(3-1)[2]： 蓄電池容量=(自給天數(shù)*日平均負(fù)載)/(最大允許放電深度*溫度修正因子)(式3-1) 自給天數(shù)為家庭用電系統(tǒng)在沒有任何外來能源的情況下，負(fù)載仍能正常工作的天數(shù)。與兩個因素有關(guān)：負(fù)載對電源的要求;安裝地點(diǎn)最大連續(xù)陰雨天數(shù)。一般情況下，將安裝地點(diǎn)的最大連續(xù)陰雨天數(shù)作為系統(tǒng)設(shè)計的自給天數(shù)，通常取7～14天。日平均負(fù)載(Ah)等于需供電各負(fù)載的電流與供電時間的乘積再求和。最大允許放電深度、溫度修正因子值與所需用的蓄電池相關(guān)，由蓄電池生產(chǎn)商參照當(dāng)?shù)氐?4小時平均最低溫度提供。 4.家庭電網(wǎng)交直流類型選擇 要構(gòu)建家庭微電網(wǎng)，需要選擇家庭電網(wǎng)交直流類型。因?yàn)楣夥l(fā)電是直流電，如果用直流電供電，可減少交直流電變換環(huán)節(jié)。如需向交流用電設(shè)備供電，則需進(jìn)行DC/AC變換。 家庭大部分用電設(shè)備需要交流供電，尤其對占主要用電消耗量的電動類型的用電設(shè)備而言，幾乎都是交流供電，如電冰箱、空調(diào)、吸塵器、抽油煙機(jī)等。這些用電設(shè)備均需要調(diào)速，盡管近來提倡采用節(jié)能變頻空調(diào)，且調(diào)速手段好且節(jié)能經(jīng)濟(jì)的仍然是直流電機(jī)，如電動助力車。但是，交流供電已然成為標(biāo)準(zhǔn)，由于長久以來家電行業(yè)的發(fā)展，交流供電已被大眾普遍接受。關(guān)于交流供電，國際上也存有區(qū)別，如美國、日本，采用110V、60Hz交流供電，而大多數(shù)國家卻采用220V、50Hz交流供電。 在用電負(fù)荷中，對照明、電熱類用電設(shè)備，既可以用交流供電，也可用直流供電。對信息類用電設(shè)備，最好采用直流供電，因?yàn)檫@類設(shè)備均為電子設(shè)備，現(xiàn)階段的供電需要將交流電轉(zhuǎn)化為直流電。因此，便攜式電腦、PAD、手機(jī)，均需要帶一個變換器，在飛機(jī)上或是有些賓館里，越來越多地為旅客提供USB口直流直接供電。家庭影院類電子設(shè)備，其交直流變換器一般裝設(shè)在設(shè)備內(nèi)，與設(shè)備成為一體。 對充電設(shè)備負(fù)荷，只能用直流進(jìn)行充電，如采用交流供電，則還需要進(jìn)行AC/DC再轉(zhuǎn)換。 家用儲能設(shè)備，一般為鉛酸蓄電池，充放電均為直流。 綜上分析，在直流供電還沒成為家電行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范前，仍應(yīng)構(gòu)建以交流為主要型式的電網(wǎng)，在我國采用220V、50Hz。但是，也可以根據(jù)負(fù)荷類型，單獨(dú)分出1～2個局部小型直流供電網(wǎng)絡(luò)，可由光伏陣列引出;也可從交流供電端， 先經(jīng)AC/DC變換，再經(jīng)不同的DC/DC變換，引出兩個不同電壓的局部直流母線。 對儲能設(shè)備，充電端接入光伏陣列輸出端，放電端分兩類，一類以直流接入兩個局部的小型直流母線，一類以交流通過DC/AC逆變，供交流用電設(shè)備。為簡化型式，以直供交流主要用電負(fù)荷為主，放電時經(jīng)DC/AC變換，僅輸出交流。 在家庭微網(wǎng)的構(gòu)建中，除交直流類型選擇外，現(xiàn)階段主要用電負(fù)荷仍為交流電，因此還不可避免地要采用逆變器，以適應(yīng)多數(shù)電動類型的家庭用電設(shè)備。逆變器的選擇，有幾項重要指標(biāo)，包括額定輸出電壓、額定頻率、額定輸出容量及過載能力、效率、功率因數(shù)等，電能質(zhì)量還要滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。對6kWp的光伏容量，應(yīng)選擇1臺容量為6kW，輸入電壓為光伏最大陣列開路電壓，功率因數(shù)大于0.99，效率在96%以上的逆變器。 5.家庭微電網(wǎng)與主電網(wǎng)的接入方案 按主要運(yùn)行方式分類，家庭微電網(wǎng)一般分為并網(wǎng)型與離網(wǎng)型。對離網(wǎng)型家庭微網(wǎng)，家庭用電負(fù)荷只有在不與分布式電源連接時，才能接入主電網(wǎng);當(dāng)家庭用電負(fù)荷由家庭分布式電源供電時，與主電網(wǎng)脫離。并網(wǎng)型家庭微網(wǎng)基本上長期與主電網(wǎng)相連，因此可不須增加家庭儲能設(shè)備，當(dāng)家庭分布式電源電量大于當(dāng)時的家庭用電負(fù)荷時，家庭向電網(wǎng)售電;當(dāng)不能滿足家庭用電要求時，向電網(wǎng)買電。 并網(wǎng)型家庭微網(wǎng)的好處是不須增加儲能設(shè)備，且用電可靠性高、穩(wěn)定性好，由主電網(wǎng)根據(jù)家庭負(fù)荷的波動實(shí)時進(jìn)行調(diào)節(jié)，但接入主電網(wǎng)流程復(fù)雜，需要獲得當(dāng)?shù)毓╇姴块T的準(zhǔn)許，且須經(jīng)其驗(yàn)收合格、達(dá)成供售電協(xié)議后才能并網(wǎng)。 離網(wǎng)型家庭微網(wǎng)的好處是自主性強(qiáng)，建設(shè)周期短，不受供電部門牽制，建成即可投入運(yùn)行，但是需要增加儲能設(shè)備，且家庭微網(wǎng)的穩(wěn)定性差，需要采取較強(qiáng)的控制調(diào)節(jié)手段，受家庭負(fù)荷波動影響大。 基于我國電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，無論是控制調(diào)節(jié)的機(jī)理，還是設(shè)備制造軟硬件方面，都已解決家庭微網(wǎng)穩(wěn)定控制調(diào)節(jié)相關(guān)問題，因此為了更好地發(fā)揮家庭分布式能源的效益，我國現(xiàn)階段宜采用離網(wǎng)型接入方案。也就是說，像美國分布式能源的發(fā)展建設(shè)一樣，家庭負(fù)荷脫網(wǎng)運(yùn)行呈現(xiàn)一種發(fā)展趨勢。 6.結(jié)語 綜上分析，基于家庭負(fù)荷的構(gòu)成及用電特點(diǎn)，根據(jù)分布式能源的建設(shè)及投入運(yùn)行的便利性，以及用電要求，經(jīng)過方案優(yōu)選，可以構(gòu)成如下圖6-1所示的智能家庭微電網(wǎng)方案。 其中，家庭用電負(fù)荷，為被動型，構(gòu)建家庭微電網(wǎng)時不需要選擇，但可通過智能控制技術(shù)優(yōu)化，主動選擇其投運(yùn)的時點(diǎn)。對分布式電源，可選擇功率為6kW峰瓦的光伏發(fā)電。光伏電源的逆變器的選擇如前所述，容量與光伏峰值功率相同，輸入電壓(直流側(cè))為光伏陣列最大開路電壓，輸出電壓(交流側(cè))為220V。 對儲能設(shè)備的蓄電池容量按(式3-1)選擇。對儲能設(shè)備的變換器宜選擇一個AC/DC變換器及一個DC/DC變換器。蓄電池電壓可選110V或48V，如選48V則只用一個AC/DC變換器就可以了?？砂醋越o時段內(nèi)的最大交流負(fù)載來選擇AC/DC變換器容量。 網(wǎng)絡(luò)方案建議參照圖6-1所示，為交直流混聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，直流設(shè)48V、12V、5V三個電壓等級系統(tǒng)。圖中220V變48V的AC/DC變換器容量選擇可參照直流最大負(fù)載，其它DC/DC可參照負(fù)載容量、輸入輸出電壓進(jìn)行選擇。 圖6-1中的電壓頻率(U/f)調(diào)節(jié)控制器，按電力系統(tǒng)有功、無功平衡原則，通過跟蹤負(fù)荷投切，調(diào)節(jié)光伏電源DC/AC變換器的交流側(cè)電壓，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方式來保證輸出電壓的穩(wěn)定[3]。
參考文獻(xiàn)： 0.CohnReznick，HOMEREnergy《負(fù)荷脫網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性分析》，落基山研究所(RMI，RockyMountainInstitute)，2015.04 李瑞生，周逢權(quán)，李燕斌《地面光伏發(fā)電系統(tǒng)及應(yīng)用》3.3.2節(jié)P43，中國電力出版社，2011.5 1.李富生，李瑞生，周逢權(quán)《微電網(wǎng)技術(shù)及工程應(yīng)用》2.4.2節(jié)P22，中國電力出版社，2012.7 |
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