10001704_不同工作模式下户用微网系统效率与经济性研究

不同工作模式下户用微网系统效率与经济性研究 赵远哲，张臻，盛昊 （河海大学机电工程学院，江苏 213022） 摘要：在微网系统设计时，其结构与能量管理策略随应用场景不同而改变。为了准确评估微网系统的性能，对 其效率以及经济性进行研究，从而得出最佳工作模式是非常有必要的。本文通过实地调研，设计搭建了 4kW 户用型微网系统，并且设计实施对比实验，得到不同工作模式系统的运行效率，探究了能量损失原因。结合当 地峰谷电价，探究不同模式下的经济性差异，进而提出了经济效益最优的工作模式，并指出了进一步研究的方 向。 关键词：户用微网系统；工作模式；系统效率；经济性。 通讯作者：张 臻（1981—） ，男，湖南，博士，主要研究方向光伏可靠性、高效光伏组件与系统。zhangzhenwl@126.com 1 研究背景与内容 近年来，将光伏发电与储能技术相结合形成的光 储型微电网系统在工程上得到了越来越广泛的应用。 而随应用场景不同，其设计时结构与能量管理策略也 灵活多变 [1]。文献 [2]实地设计搭建了一个小型微网系 统并简单分析了运行情况；文献 [3]本着经济性利用电 能的原则，提出了多个计算储能电池容量的边界条件 的方法；文献 [4]提出了一种用于削峰填谷功能的实时、 动态储能系统控制策略；文献 [5]通过具体算例对比分 析无储能系统的光伏并网发电系统和基于储能系统的 光伏并网发电系统的运行经济性。总而言之，如何准 确评估微网系统的性能，对其运行效率与经济性进行 研究，从而得出最佳工作模式是当前研究的热点 [6]。 本文通过实地调研，设计搭建了 4kW 光储型微 网系统，对其进行实验，研究了分布式光储微网系统 的效率与经济性，具体内容如下: （1）实地调研，设计搭建了 4kW 光储型微网系 统； （2）分析对比了几种不同工作模式的能量管理 策略，对比了系统的运行效率，并探究其能量损失原 因。 （3）针对常州地区的峰谷电价，对比了不同模 式下的系统经济性，提出了经济效益最优的工作模式。 2 实验微网系统搭建 本次的实验系统由光伏阵列、逆变器、储能系统、 可调交流负载构成，为了快速准确地收集实验数据， 以及工作模式的切换，还配备了额外的辅助通讯模块， 并通过电脑来控制工作模式的转换，所搭建的实验系 统结构如图 2.1 所示： 图 2.1 实验微网系统结构图 依据项目地点的相关环境参数，以及项目地点的 屋顶结构，将两个组串以不同倾角安装： （1）8 块组件采用 27°倾角正南竖置安装； （2）8 块组件采用 10°倾角正南横置安装。 现场如下图所示： 图 2.2 27°安装阵列 图 2.3 10°安装阵列 总装机容量为 4160W，选取容配比为 1.1，依据 计算结果，选取厦门科华公司的光伏储能逆变器 （BPH-BL3600 ） ，按找国家标准 GB/T 33589-2017 计 算后选用厦门科华公司的锂离子蓄电池（US2000） 。 此外，为模拟不同场景的负载情况，设计选用深圳建 宏公司的可调交流负载（JH-RYF-5KWA220-W7K） ， 调节范围为 100W~3000W。 3 不同工作模式系统效率实验 3.1 自用优先模式 当光伏能量充足时，光伏能量优先保证负载的用 电，剩余电量进行电池充电，再多余的能量用于并网； 当光伏能量不足时，光伏能量及电池放电保证负载的 用电，优先保证负载使用光伏自发的能量。其能量管 理流程如下所示： 图 3.1 自用优先模式能量管理流程图 实验时间为 2018 年 5 月 1 日至 2018 年 5 月 5 日 获得的数据如下所示： 表 3.1 自用优先模式发电量数据 日期 日发电 量 /kWh 日并网 电量 /kWh 日购电 量 /kWh 日用电 量 /kWh 峰值日照 小时 /kW/㎡/ 天 5 月 1 日 10.1 2.8 5.5 10.7 2.91 5 月 2 日 13.1 4.8 4.6 10.8 3.84 5 月 3 日 25.4 16.6 4.5 11 7.27 5 月 4 日 23.8 15.2 4.7 10.9 6.93 5 月 5 日 5 0 8.4 10.7 1.3 累计 77.4 39.4 27.7 54.1 22.26 对获得的相关实验数据进行一定处理： 1）将每天 24：00 的累计发电量、并网电量、购 电量和用电量与昨天同一时刻相减获得当日的相应数 据，并与采集到的当日数据进行比对，确认数据准确 性； 2）为消除部分天气因素带来的计算误差，将每 日测量得到的每分钟水平面辐照数据对时间积分，再 进行标准化处理，得到每日水平面的峰值日照小时。 将相关数据带入如下公式进行计算： +FTeEPRhG 式中： Pe·hT：在 T 时间段内的系统发电量 ET：在 T 时间段内的并网电量 GT：在 T 时间段内从电网购买电量 FT：在 T 时间段内可调交流负载消耗电量 计算所得的数据如下图所示： 80.30% 79.90% 84.20% 82.50% 79.50% 5月1 日 5月2 日 5月3 日 5月4 日 5月5 日 79.00% 80.00% 81.00% 82.00% 83.00% 84.00% 85.00% 81.80% 每 日 效 率 平 均 效 率 图 3.2 自用优先模式每日效率及平均效率 3.2 储能优先模式 当电池未充满电时，光伏能量与电网能量共同优 先给电池充电以保证电池尽量满电，从而应对关键负 载的应急用电；当光伏能量充足时，优先给电池充电， 剩余能量向负载供电，再剩余能量用于并网。其能量 管理流程如下所示： 图 3.3 储能优先模式能量管理流程图 实验时间为 2018 年 5 月 9 日至 2018 年 5 月 13 日，获得的数据如下所示： 表 3.2 储能优先模式发电量数据 日期 日发电 量 /kWh 日并网 电量 /kWh 日购电 量 /kWh 日用 电量 /kWh 峰值日照 小时 /kW/㎡/ 天 5 月 9 日 25.3 18.8 6.9 10.9 7.48 5 月 10 日 21.4 14.8 6.5 11 6.3 5 月 11 日 20.5 14.6 7.1 10.9 6.07 5 月 12 日 3.5 0.5 9.4 10.7 0.93 5 月 13 日 23.4 16.5 6.3 11 6.8 累计 94.1 65.2 36.2 54.1 27.58 将相关数据带入如下公式进行计算： +FTeEPRhG 计算所得的数据如下图所示： 82.50% 83.20% 83.00% 87.00% 84.00% 5月9 日 5月10 日 5月11 日 5月12 日 5月13 日 82.00% 84.00% 86.00% 88.00% 85.90% 每 日 效 率 平 均 效 率 图 3.4 储能优先模式每日效率及平均效率 3.3 削峰填谷模式 削峰填谷模式在用电高峰时段，把电池设置成放 电模式；在电价便宜时段，把电池设置成充电模式给 电池充电储能。除了可以使用光伏自发用电外，还可 以合理利用峰谷时段电价差优化家庭的用电策略，给 用户提供更加经济的自用供电方案。 实验时间为 2018 年 5 月 16 日至 2018 年 5 月 20 日，获得的数据如下所示： 表 3.3 削峰填谷模式发电量数据 日期 日发电 量 /kWh 日并网 电量 /kWh 日购电 量 /kWh 日用 电量 /kWh 峰值日照 小时 /kW/㎡/ 天 5 月 16 日 21.3 14.7 6.4 10.8 6.41 5 月 17 日 14.7 8.8 6.7 10.9 4.13 5 月 18 日 14.9 8.4 6.4 10.9 4.35 5 月 19 日 6.7 2.3 8.3 11 1.9 5 月 20 日 3.1 0 10.1 10.7 0.87 累计 60.7 34.2 37.9 54.3 17.66 将相关数据带入如下公式进行计算： +FTeEPRhG 计算所得的数据如下图所示： 81.40% 86.50% 82.80% 84.80% 79.40% 5月9 日 5月10 日 5月11 日 5月12 日 5月13 日 78.00% 80.00% 82.00% 84.00% 86.00% 88.00% 83.00% 每 日 效 率 平 均 效 率 图 3.5 削峰填谷模式每日效率及平均效率 3.4 不同工作模式效率差异分析 从上述计算结果来看：自用优先模式下系统的运 行效率最低，约为 82%；储能优先模式下系统的运 行效率最高，约为 86%；削峰填谷模式下系统的运 行效率介于自用优先模式和储能优先模式，约为 83%。 与自用优先模式相比较，储能优先模式下系统储 能装置几乎一直处于静止状态，系统中没有锂电池充 放电损失，因而效率获得了提高。削峰填谷模式运行 效率介于前两者之间，是因为锂电池的每日充放电次 数与功率是固定不变的，不会有频繁的充放电过程和 功率波动。显然，储能装置的使用在平稳系统输出的 同时，也影响了系统的效率。 4 户用型微网系统经济性分析 以常州地区为例，市电价格采用居民峰谷时电价， 即：每日 8:00-21:00 为峰时，电价是 0.56¥／kWh；21:00-次日 8:00 为谷时，电价是 0.36¥／kWh。拟定用户负载功率 Pload=2kW；光伏上 网电价 fPV=0.75¥／kWh 。 4.1 系统年经济效益计算 1）系统理论发电量计算 从相关气象网站上查得常州地区一月至十二月平 均每天的峰值日照时数（水平面） 。具体数据与计算 结果如下表所示： 表 4.1 峰值日照小时与理论发电量 月份 峰值日照 小时 /kW/㎡/天 27°倾角光 伏组串发电 量 /kWh 10°倾角光 伏组串发 电量/kWh 总理论 发电量 /kWh 一月 2.74 5.6 5.1 10.7 二月 3.12 6.4 5.8 12.1 三月 3.32 6.8 6.1 12.9 四月 4.15 8.5 7.7 16.1 五月 4.72 9.6 8.7 18.4 六月 4.59 9.4 8.5 17.9 七月 5.01 10.2 9.3 19.5 八月 4.67 9.5 8.6 18.2 九月 3.96 8.1 7.3 15.4 十月 3.40 6.9 6.3 13.2 十一月 2.85 5.8 5.3 11.1 十二月 2.69 5.5 5.0 10.5 2）系统平均耗电量计算 由表 4.1，表 4.2，表 4.3 可知在本次实验中，有 且仅有可调交流负载消耗电能，可调交流负载功率固 定为 400W 且 24h 不变，所以系统耗电量不因为工作 模式变化而产生差异。综上，对 5 月 1 日至 5 月 20 日每日耗电量取平均可得，系统平均耗电量为： 10.8kWh。 3）系统平均购电量计算 为求其购电量，集合相关气象参数、负载特性 对 3 种不同工作模式下的电网特性曲线进行拟合，可 得其特性图如下所示： 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 19:59 0:00 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 时 刻 功 率/kW 图 4.1 自用优先模式电网特性图 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 19:59 0:00 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 时 刻 功 率/kW 图 4.2 储能优先模式电网特性图 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 19:59 0:00 -2 -1 0 1 2 3 4 时 刻 功 率/kW 图 4.3 削峰填谷模式电网特性图 对小于 0 部分积分可得： 自用优先模式购电量：4.6kWh/天； 储能优先模式系统购电量：6.7kWh/天； 削峰填谷模式系统购电量：8.7kWh/天。 4.2 不同工作模式下系统年收益计算 1、自用优先模式 由效率计算公式可知系统实际并网量 ET为：TeTEPRhGF 结合其购电量、并网量与耗电量，按照居民峰谷 电价时段，分段对时间积分后与相对应电价相乘，可 得其收益如下表所示： 表 4.2 自用优先模式电费计算 月份 每日并网 量/kWh 并网收益 /¥ 每日购电 量/kWh 支付电费 /¥ 一月 1.7 1.28 4.6 1.66 二月 2.9 2.18 4.6 1.66 三月 3.5 2.63 4.6 1.66 四月 6.2 4.65 4.6 1.66 五月 8.0 6.00 4.6 1.66 六月 4.6 3.45 4.6 1.66 七月 8.9 6.68 4.6 1.66 八月 7.8 5.85 4.6 1.66 九月 5.6 4.20 4.6 1.66 十月 3.8 2.85 4.6 1.66 十一月 2.0 1.50 4.6 1.66 十二月 1.5 1.13 4.6 1.66 总收益约为 674 元。 2、储能优先模式 同上理，其收益如下表所示： 表 4.3 储能优先模式电费计算 月份 每日并网 量/kWh 并网收益 /¥ 每日购电 量/kWh 支付电费 /¥ 一月 4.1 3.08 6.7 2.73 二月 5.4 4.03 6.7 2.73 三月 6.0 4.54 6.7 2.73 四月 8.8 6.62 6.7 2.73 五月 10.7 8.04 6.7 2.73 六月 10.3 7.72 6.7 2.73 七月 11.7 8.77 6.7 2.73 八月 10.6 7.92 6.7 2.73 九月 8.2 6.14 6.7 2.73 十月 6.3 4.74 6.7 2.73 十一月 4.5 3.36 6.7 2.73 十二月 3.9 2.96 6.7 2.73 总收益约为 1055 元。 3、削峰填谷模式 同上理，其收益如下表所示： 表 4.4 削峰填谷模式电费计算 月份 每日并网 量/kWh 并网收益 /¥ 每日购电 量/kWh 支付电费 /¥ 一月 5.3 3.95 8.7 3.45 二月 6.5 4.87 8.7 3.45 三月 7.1 5.35 8.7 3.45 四月 9.8 7.39 8.7 3.45 五月 11.7 8.71 8.7 3.45 六月 11.2 8.43 8.7 3.45 七月 12.6 9.45 8.7 3.45 八月 11.5 8.62 8.7 3.45 九月 9.2 6.90 8.7 3.45 十月 7.4 5.55 8.7 3.45 十一月 5.6 4.22 8.7 3.45 十二月 5.1 3.83 8.7 3.45 总收益约为 1076 元。 4.3 结果对比与分析 从结果来看，自用优先模式并没有起到预先设想 中减少用户电费，提高收益的效果，即系统加入储能 装置没有发挥较好的作用，主要原因以下几点: 1)常州地区居民峰谷电价的峰时电价和谷时电价 差不大，且均低于光伏上网电价，所以在加入储能装 置提高自发自用比例的同时，减小了光伏并网电量， 反而降低了总体收益。 2)本次实验设置可调交流负载功率为 400W，相 比于实际发电量，系统耗电量较小，光伏组件产生的 电能足以保证可调交流负载正常工作需求，弱化了储 能装置的作用。 3）在削峰填谷模式中，因为更加合理的设置了 储能装置的充放电时段和功率，在电价较低的谷时从 电网购电为锂电池充电，在光伏能量充足的时段放电 供应可调交流负载用电需求，增加了系统并网电量， 从而提高了总体收益。 显然，对常州地区居民峰谷电价的小型光储型微 电网系统，在系统内负载较低（400W）的情况下，用 户应选择使用削峰填谷模式并设计合理的储能装置充 放电时段和功率，可以获得最好的经济收益。 5 总结与展望 本文实地调研，设计搭建了用于实验的微网系统， 分析了微网系统的几种工作模式。设计相关实验，采 集系统运行状态参数，计算出实际运行时自用优先、 储能优先和削峰填谷三种工作模式的系统运行效率， 分析了相较于传统并网光伏系统的能量损失和不同工 作模式系统效率差异原因。并以常州地区为例，分析 了户用型微网系统在不同模式下的经济性，进而提出 了经济效益最优的工作模式。 然而，由于时间因素的影响，每组实验周期短， 受天气影响因素很大，数据的代表性较差，后期仍需 要进行长期实验，以消除天气及其他因素对系统运行 效率的影响。 感谢 作者感谢江苏省研究生科研与实践创新计划项目 （KYCX18_0537）以及江苏省重点研发计划（产业 前瞻与共性关键技术 BE2017063）的支持。 参考文献 [1] Khan M W, Wang J. 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