【深度】家庭智能微电网构建方案研究

来源:北极星输配电网  作者:王向平  2016/2/24

       摘要：随着我国电力体制改革的深化，分布式清洁能源的建设正越来越迅速。改革要求全面放开用户侧分布式电源市场，放开用户侧分布式电源建设。推广建设家庭智能微电网，是当前分布式电源建设的发展趋势。文章从家庭用电负荷特征分析着手，基于当前我国家庭分布式电源的建设，提出了当前家庭微电网的构建方式，包括电源建设、微电网结构、储能方案、电网接入模式。通过分析比较，提出了一种优化的家庭智能微电网构建方案。

       0.引言

       随着我国电力体制改革的深化，中发〔2015〕9号文“中共中央国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见”要求全面放开用户侧分布式电源市场，放开用户侧分布式电源建设，支持企业、机构、社区和家庭根据各自条件，因地制宜投资建设太阳能、风能等各类分布式电源。分布式清洁能源的建设正越来越迅速。推广建设家庭智能微电网，是当前分布式电源建设的发展趋势。在美国，已面临“电网脱网危机”，电网已经不能阻止光伏+储能用户对它们的削弱。受成本下降和政府鼓励的双重影响，越来越多的美国家庭和公司开始自己生产电能，这一趋势正在威胁主导了美国和世界130年的集中化电力生产模式。公用事业公司，比如电网，越发对商业环境的变化感到不适，其中真正的原因在于“负荷脱网”——而这在未来却是一种必然[1]。

       家庭用电负荷脱网，意味着家庭可以自己构建电网，即建设微电网。微电网构建除了本身的用电负荷不需要搭建选择外，其他需要考虑的有：电源、储能设备的建设，以及网络方案的选择、微电网与主电网的接入方案等。

       1. 家庭用电负荷分类及统计

       根据家用电器的特性和用途大体分为：照明类、电热类、电动类、信息类、充电类。

       1.1 家庭用电负荷的分类

       照明类—日光灯管、LED灯、节能灯等，现在白炽灯家用得越来越少。

       电热类—目前使用率较高的普通家电有：电淋浴器、空调器、电烫斗、电炒锅、电饭锅、电烤箱、电取暖器等，微波炉、消毒碗柜，也可归为这类。

       电动类—目前使用率较高的普通家电有：电冰箱、空调器、洗衣机、风扇、吸尘器、抽油烟机等。

       信息类—主要为电子产品，有电视机、音响、计算机、家庭影院等。

       充电设备—电瓶助力车、各类便携式设备的充电(计算机、手机、PAD、充电宝)等，电动汽车目前家用还不是很普遍，一般归为小区用电负荷。

       1.2 家庭用电负荷统计

       住宅用电的对象为广大普通群众，家用电器有很大的随意性、突发性、波动性。随着近年来国家经济高速增长，目前用电设备增加，因此，正确确定用电的负荷尤为重要。过去常按2kW/户计算的单位容量来确定每户负荷的方法，已不适应家庭用电负荷日益增长的现状。一般家庭用电负荷统计参见下表1-1。

      表1-1 家庭用电负荷统计

       家庭用电高峰一般出现在早晚，白天用电高峰时段不固定，节假日用电比平常用电要高些。白天非节假日用电负荷主要是电冰箱及各类待机负荷。用电最大的家用电器是空调、电取暖器。以8月份夏季用电负荷为例，对中等收入普通家庭可能同时使用的家电情况，统计见下表1-2。

       采用需要系数法求计算负荷，将表1-2中的总计值作为半小时最大负荷P30，则需要系数Kc=P30/Pe=0.46, Pe按表1-1总计范围平均值选13kW取，计算负荷Pjs=Kc*Pe=6kW。

       1.3用电负荷供电要求

       从供电中断对对家庭生活造成的影响来看，可将负荷按重要级别进行分类。最重要的负荷是照明类，其次是信息类。电动类中空调设备中断供电，将影响家庭的正常生活，其他设备重要程度可归为最低，充电设备类中与信息相关的充电设备，其重要程度应为最高。电动助力车的充电与电加热设备应归为重要程度最低的用电负荷。

表1-2 家庭同时用电负荷统计

       2. 家庭分布式电源方案

       能够成为家庭分布式电源的能源，主要以屋顶太阳能光伏发电为主，一般只能选择一种能源作为家庭供电电源。

       对大型家族，还可利用多种分布式能源。如水力资源较好、处于有利地理位置优势的，也可以添设水力发电。对依山傍水的家庭别墅，能够建设屋顶太阳光伏发电时，如果地理位置独特，还可设想发展抽水蓄能，实现白天晚上循环供电。对风力资源丰富的近海家庭别墅，这些地区还可以增设风力发电。经常锻炼养身的家庭，还可利用体育锻炼的机会，将锻炼产生的机械能转化为电能，可短时为家庭提供另一电能。

       另外，柴油发电机还可作为应急发电电源。

       从上节可知，对高等家庭，需配置6kW的电源，对中等家庭，建议配与80%的最高负荷匹配即可，即4.8kW的发电电量。如只提供保证重要负荷供电的电量，即只满足照明类、信息类供电负荷要求，同时又能保证基本生活质量，尽量可满足空调负荷的供电，所需的发电电量由表1-2统计宜为4kW。

       3. 家庭分布式电源的储能方案

       家庭分布式电源储能方案的选择，与供电电源的电量、以及供电持续的时间有关，也与家庭负荷的构成、用电时段的分布有关。

       显然，对以屋顶太阳能光伏发电为主的分布式家庭能源，供电的持续时间与当地的气象条件有关，即安装地点的最大连续阴雨天数有关。供电电量与所选的太阳能光伏板种类、光伏板面积以及太阳光伏板的倾角有关。

       家庭负荷的构成，在家庭装饰完成、家用电器配置完成后，在一段时期内，基本维持不变。但这些家用电器的用电时段，却具有间歇性、突发性，而且可人为进行主动控制以最恰当的时段投入运行。

       以铅酸蓄电池作为储能方案的蓄电池容量选择公式如下式(3-1)[2]：

       蓄电池容量=(自给天数*日平均负载)/(最大允许放电深度*温度修正因子) (式3-1)

       自给天数为家庭用电系统在没有任何外来能源的情况下，负载仍能正常工作的天数。与两个因素有关：负载对电源的要求;安装地点最大连续阴雨天数。一般情况下，将安装地点的最大连续阴雨天数作为系统设计的自给天数，通常取7～14天。日平均负载(Ah)等于需供电各负载的电流与供电时间的乘积再求和。最大允许放电深度、温度修正因子值与所需用的蓄电池相关，由蓄电池生产商参照当地的24小时平均最低温度提供。

       4. 家庭电网交直流类型选择

       要构建家庭微电网，需要选择家庭电网交直流类型。因为光伏发电是直流电，如果用直流电供电，可减少交直流电变换环节。如需向交流用电设备供电，则需进行DC/AC变换。

       家庭大部分用电设备需要交流供电，尤其对占主要用电消耗量的电动类型的用电设备而言，几乎都是交流供电，如电冰箱、空调、吸尘器、抽油烟机等。这些用电设备均需要调速，尽管近来提倡采用节能变频空调，且调速手段好且节能经济的仍然是直流电机，如电动助力车。但是，交流供电已然成为标准，由于长久以来家电行业的发展，交流供电已被大众普遍接受。关于交流供电，国际上也存有区别，如美国、日本，采用110V、60Hz交流供电，而大多数国家却采用220V、50Hz交流供电。

       在用电负荷中，对照明、电热类用电设备，既可以用交流供电，也可用直流供电。对信息类用电设备，最好采用直流供电，因为这类设备均为电子设备，现阶段的供电需要将交流电转化为直流电。因此，便携式电脑、PAD、手机，均需要带一个变换器，在飞机上或是有些宾馆里，越来越多地为旅客提供USB口直流直接供电。家庭影院类电子设备，其交直流变换器一般装设在设备内，与设备成为一体。

       对充电设备负荷，只能用直流进行充电，如采用交流供电，则还需要进行AC/DC再转换。

       家用储能设备，一般为铅酸蓄电池，充放电均为直流。

       综上分析，在直流供电还没成为家电行业通用标准规范前，仍应构建以交流为主要型式的电网，在我国采用220V、50Hz。但是，也可以根据负荷类型，单独分出1～2个局部小型直流供电网络，可由光伏阵列引出;也可从交流供电端，

       先经AC/DC变换，再经不同的DC/DC变换，引出两个不同电压的局部直流母线。

       对储能设备，充电端接入光伏阵列输出端，放电端分两类，一类以直流接入两个局部的小型直流母线，一类以交流通过DC/AC逆变，供交流用电设备。为简化型式，以直供交流主要用电负荷为主，放电时经DC/AC变换，仅输出交流。

       在家庭微网的构建中，除交直流类型选择外，现阶段主要用电负荷仍为交流电，因此还不可避免地要采用逆变器，以适应多数电动类型的家庭用电设备。逆变器的选择，有几项重要指标，包括额定输出电压、额定频率、额定输出容量及过载能力、效率、功率因数等，电能质量还要满足国家标准要求。对6kWp的光伏容量，应选择1台容量为6kW，输入电压为光伏最大阵列开路电压，功率因数大于0.99，效率在96%以上的逆变器。

       5. 家庭微电网与主电网的接入方案

       按主要运行方式分类，家庭微电网一般分为并网型与离网型。对离网型家庭微网，家庭用电负荷只有在不与分布式电源连接时，才能接入主电网;当家庭用电负荷由家庭分布式电源供电时，与主电网脱离。并网型家庭微网基本上长期与主电网相连，因此可不须增加家庭储能设备，当家庭分布式电源电量大于当时的家庭用电负荷时，家庭向电网售电;当不能满足家庭用电要求时，向电网买电。

       并网型家庭微网的好处是不须增加储能设备，且用电可靠性高、稳定性好，由主电网根据家庭负荷的波动实时进行调节，但接入主电网流程复杂，需要获得当地供电部门的准许，且须经其验收合格、达成供售电协议后才能并网。

       离网型家庭微网的好处是自主性强，建设周期短，不受供电部门牵制，建成即可投入运行，但是需要增加储能设备，且家庭微网的稳定性差，需要采取较强的控制调节手段，受家庭负荷波动影响大。

       基于我国电网建设的发展，无论是控制调节的机理，还是设备制造软硬件方面，都已解决家庭微网稳定控制调节相关问题，因此为了更好地发挥家庭分布式能源的效益，我国现阶段宜采用离网型接入方案。也就是说，像美国分布式能源的发展建设一样，家庭负荷脱网运行呈现一种发展趋势。

       6. 结语

       综上分析， 基于家庭负荷的构成及用电特点，根据分布式能源的建设及投入运行的便利性，以及用电要求，经过方案优选，可以构成如下图6-1所示的智能家庭微电网方案。

       其中，家庭用电负荷，为被动型，构建家庭微电网时不需要选择，但可通过智能控制技术优化，主动选择其投运的时点。对分布式电源，可选择功率为6kW峰瓦的光伏发电。光伏电源的逆变器的选择如前所述，容量与光伏峰值功率相同，输入电压(直流侧)为光伏阵列最大开路电压，输出电压(交流侧)为220V。

       对储能设备的蓄电池容量按(式3-1)选择。对储能设备的变换器宜选择一个AC/DC变换器及一个DC/DC变换器。蓄电池电压可选110V或48V，如选48V则只用一个AC/DC变换器就可以了。可按自给时段内的最大交流负载来选择AC/DC变换器容量。

       网络方案建议参照图6-1所示，为交直流混联网络，直流设48V、12V、5V三个电压等级系统。图中220V变48V的AC/DC变换器容量选择可参照直流最大负载，其它DC/DC可参照负载容量、输入输出电压进行选择。

       图6-1中的电压频率(U/f)调节控制器，按电力系统有功、无功平衡原则，通过跟踪负荷投切，调节光伏电源DC/AC变换器的交流侧电压，采用电压外环、电流内环的双环控制方式来保证输出电压的稳定[3]。

图6-1 家庭智能微电网系统网络图

       参考文献：

       0. CohnReznick，HOMER Energy 《负荷脱网的经济性分析》，落基山研究所(RMI，Rocky Mountain Institute)，2015.04

       李瑞生，周逢权，李燕斌 《地面光伏发电系统及应用》3.3.2节P43，中国电力出版社，2011.5

       1. 李富生，李瑞生，周逢权 《微电网技术及工程应用》2.4.2 节 P22，中国电力出版社，2012.7