基于電力路由器的家庭能量管理系統

鄭偉鋒，黃森炯，許 達

（國網浙江省電力有限公司寧波供電公司，寧波 315000）

隨著傳統化石燃料的過度消耗，環境問題日益嚴重，加之全球能源需求不斷增長，在這些因素的推動下，可再生能源的開發利用獲得快速發展，能源結構也隨之發生全面深刻的變革[1]。利用可再生能源發電具備能源充裕、環保等優勢，但其隨機性、間歇性等特性會降低供電質量，對于配備分布式發電裝置的家庭來說，這無疑增加了進行能量管理的不穩定因素[2]。

目前，已有專家學者針對配置分布式電源的家庭能量管理進行大量研究，成果顯著，其中側重點在于系統結構與管理策略兩個方面。在管理策略方面，文獻[3-4]中系統利用動態的電價調節負荷工作時間以實現節能，對家用電器進行分類，在用電高峰將可中斷負荷切斷供電或者轉移至其它時段以降低能源成本并防止供電不足[5-6]。系統管理策略研究本質在于負荷調度，而具有即插即用功能和靈活可擴展性的能量管理平臺是必不可少的，兩者結合將會提高系統的性能。

Takekazu Kato 等提出了“i-Energy”的概念以及“能源隨需應變EoD（energy on demand）”的新型能量控制方法，以實現對分散式電源與電器間功率流有效且通用地控制[7]。Song Wenzhan 等提出了智能電源開關，它具有互聯網路由、電源轉換和保護設備的功能[8]。隨著電力包分發技術的發展，研究人員開始整合電力傳輸和通信的物理路徑，由此出現了電力路由器[9]。電力路由器的工作原理在于將電源分組，并將與負載匹配的電源電能直接傳送至負載，而后隨著電力電子技術的快速發展，其應用范疇由單一電力路由器到電力路由器間的互聯；文獻[10]基于電力路由器互聯設計了新穎靈活的微網互聯框架，通過多端口電力路由器實現微網間的能量交互。文獻[11]中提出了基于能量路由器構建的能源互聯網框架，通過不同電壓等級的能量路由器進行電壓變換與能量傳送。

為解決可再生能源接入系統帶來的這些問題，本文設計了基于電力路由器的家庭能量管理系統HEMS（home energy management system），通過電力路由器將電網、可再生能源系統和負荷相連接。相比于已有的科研成果，HEMS 具有如下特點：通過電力路由器管理分布式能源與負荷，提供即插即用的端口；根據用戶的舒適度、能耗和負荷特性，對負荷進行最佳動態控制；提高可再生能源的本地消納率。

1 基于電力路由器的家庭能量管理系統架構

1.1 面向家庭能量管理的電力路由器框架

本系統的核心組件是電力路由器，其主要功能是完成系統電能的變換與管理。根據功能需求，電力路由器主要由整流器、逆變器VSC（voltage source converter）、開關模塊、通信網絡等組成，其整體結構框圖如圖1 所示。電力路由器中各模塊的功能如下。

圖1 電力路由器的整體框架Fig.1 Overall framework of electric power router

（1）電力路由器的核心是主逆變器VSC，具備雙向變換功能，將各分布式發電設備及儲能設備輸出的直流電轉換成可供負荷直接使用的交流電。

（2）采集模塊主要采集各個輸入輸出端口的電流、電壓、功率、功率因數等參數，存儲到數據庫中，為后期進行數據處理提供原始數據。

（3）能量分配管理即通過對原始數據進行分析，使用優化調度算法制定控制策略以管理開關的合理動作。

（4）直流母線匯集各分布式電源和儲能設備經過變流器的電能，經逆變器將直流轉變成交流接至交流母線，簡化了各電源并聯帶來的控制與電能分配問題。

1.2 分布式發電與儲能技術

1.2.1 光伏發電技術

分布式電源是家庭能量管理系統進行可再生能源利用、實現能量協調優化的重要基礎。在化石燃料瀕臨匱乏以及環境污染加劇等情況下，分布式發電技術發展得十分迅速，且已普遍運用于實際生產生活中。而本文根據實驗室的現有條件，采用光伏發電作為接入系統的分布式電源。

光伏電池輸出功率具有明顯波動以及非線性的特點，受到光照強度、周圍溫度等多種因素的影響，其中，光伏電池輸出的最大功率取決于太陽輻射強度[12]。以天津夏季典型天氣為例，用額定輸出270 W 的光伏電池經并網逆變器向電網供電，實測全天光伏輸出曲線如圖2 所示。

圖2 光伏全天輸出曲線Fig.2 Curve of photovoltaic daily output

1.2.2 儲能技術

可再生能源發電時受環境因素影響較大，需要配置儲能設備來平衡可再生能源發電的功率波動，提高供電質量，優化分布式電源的運行。按照電能轉化形式的不同，儲能技術主要劃分為電磁儲能、機械儲能和化學儲能3 種類型[13-15]。考慮到實驗室的硬件條件，化學儲能最具可行性，并且基于成本因素，本試驗選擇蓄電池作為儲能設備。

表1 儲能設備性能對比Tab.1 Comparison of performance among energy storage equipment

1.3 負荷類型

本文的應用場景是家庭，系統進行能量協調優化必然涉及對負荷的調度，所以要對家庭中的用電負荷進行分類。負荷分類首先需要考慮用電負荷是否可調度，以及實施調度對用戶的舒適度是否造成影響。綜合以上兩因素，將用電負荷劃分為2 種類型：基礎負荷和可調度負荷。基礎負荷對用戶是剛性需求，一旦發生調度轉移，就會嚴重影響用戶的用電體驗。基礎負荷雖然不在系統可調度負荷的范疇內，但是本文設計的電力路由器可實現無縫切換，可對其供電電源進行選擇，3 種電源（光伏、儲能與市電）均可對其進行供電并且可相互補充。可調度負荷具備一定的時間彈性，即允許中斷對其供電，或者改變工作時段，且不會造成用戶用電體驗的下降。可調度負荷又進一步分為可中斷負荷和不可中斷負荷。可中斷負荷間歇性工作，工作時間比較自由；不可中斷負荷在負荷工作時間內不可以隨意開斷，否則會影響電器的性能和工作效率。

家用負荷的用電參數見表2。表2 中負荷優先級越高，對應的數字越大。

表2 家用負荷用電參數Tab.2 Electricity parameters of household load

2 系統能量調度模型設計

2.1 系統軟件架構

基于電力路由器的家庭能量管理系統的軟件架構大致分成3 層，即信息采集層、網絡傳輸層與系統管理層。其中：①信息采集層的任務是收集分布式電源、功率變換裝置、電力路由器端口的狀態信息以及測量模塊的電能數據信息；②網絡傳輸層主要作用是由RS-485 總線網絡按照協議在設備和模塊之間傳輸各種指令和數據；③系統管理層承擔著系統的信息處理、電力路由器的運行監控以及各類分布式電源與負荷的管理調度等任務，并且該層細分為物理層與業務層2 個層級。其中物理層主要包括系統的硬件平臺及驅動、操作系統。業務層包含數據庫與系統應用。系統軟件架構中各層次均承擔不同功能，并且相互配合共同實現系統整體功能，其基本架構如圖3 所示。

圖3 系統軟件架構Fig.3 Software structure of the system

2.2 系統能量調度策略

結合實際應用場景和系統各模塊功能設計，基于電力路由器的家庭能量管理系統需要結合接入負載信息和系統當前狀態進行調控和電能管理，因此系統的控制策略主要是實現電源與負荷的優化匹配。圖4 是負荷接入系統或運行狀態改變的處理流程，HEMS 控制策略詳細描述如下。

圖4 系統電源負荷匹配流程Fig.4 Flowchart of matching between power and load in the system

（1）HEMS 通過每個裝載端口的采集模塊收集負荷的電氣參數，并將其保存在負載信息庫中。

（2）當負荷端口有加載訪問請求信號時，HEMS選擇將其連接到電力路由器的負荷端口并檢測其采集模塊。如果檢測到的信息與信息庫匹配，則開始調度并更新信息庫。由于本系統的電力路由器帶有交直流母線，因此市電、PV 和儲能裝置可以單獨供電，也可聯合供電。若信息不匹配，則繼續檢測其電功率，直到它具有理想的功率匹配方案，然后系統更新負載信息庫。

（3）當電網電源閾值發送到HEMS 或電網總功率超過設定閾值，仍不滿足負載需求時，需要根據優先級切斷負載。若負載的優先級較高，則斷開的負荷仍將再次連接到系統，系統再次為其供電。

3 系統運行控制實驗

3.1 系統實驗平臺

系統實驗平臺如圖5 所示，其核心在于電力路由器，電源端與光伏、蓄電池與市電相接，家用電器接至負荷端。系統通過電力路由器中主控模塊生成調度策略以控制開關模塊，從而實現電源負荷優化匹配。

圖5 系統實驗平臺Fig.5 Experimental platform of the system

3.2 系統實驗結果

實驗中，屋頂鋪設光伏板的開路電壓為37.5 V，最大輸出功率為235 W，共有10 塊；鉛酸蓄電池的具體參數為：最大容量為65 A·h、額定電壓為12 V，考慮系統的功率需求，裝有3 組蓄電池。因此實驗平臺的功率等級是3 kW。

系統實驗內容主要包括兩個方面，即系統暫態穩定性與長期運行穩定性，其中暫態穩定性實驗包括負荷供電電源與系統運行模式的切換以及負荷投切，以論證系統瞬時動作的無縫切換；長期運行穩定性試驗側重于對比調度策略使用前后的電能損耗量，以論證系統的經濟性。

3.2.1 系統暫態穩定性實驗

本系統具備多個電源端和負荷端，通過多個繼電器通斷的控制實現能量最優匹配。由于繼電器通斷有一定延時，是否對系統運行造成影響，本文通過實驗予以驗證。實驗結果如圖6～圖8 所示。

圖6 系統供電電源切換波形Fig.6 Switching waveforms of system power supply

圖6 是負荷工作供電電源發生改變的瞬態波形，結果表明繼電器的動作時間小于交流電的半個周期，不影響負荷工作。圖7 是系統工作模式在孤島與并網間切換的瞬態波形，結果表明能夠實現平緩切換。圖8 是在系統不同工作模式下投切負荷的瞬態波形，結果表明系統能夠實現良好供電。

圖7 系統運行模式切換波形Fig.7 Switching waveforms of the system in operating mode

圖8 系統不同運行模式下負荷投切波形Fig.8 Load switching waveforms of the system in different operating modes

3.2.2 系統長期運行穩定性實驗

以夏天晴朗的一天為例，獲取相關的負荷和光伏的功率信息以及儲能的充放電曲線SOC，通過對比調度策略使用前后的市電損耗量，進而論證系統能否最大化地利用光伏發電，實現其運行的經濟性。

系統未使用調度策略的實驗結果如圖9 所示。可見：①08∶00-11∶00 光伏輸出電能不僅為負荷供能，還給蓄電池充電，并且此時光伏余量太多，將多余的電量并網，進行售電；②正午時分，負荷增多，光伏輸出不夠，儲能進行補償，無需市電供能；③13∶00-16∶00 光伏輸出有剩余，為蓄電池充電；④17∶00-23∶00 光伏輸出逐漸減為0，儲能供電，由于負荷較多，儲能無法完全供能，市電接入，即購電；⑤23∶00-06∶00 光伏輸出為0，儲能電能為0，負荷逐漸減少，全由市電供電，此時段全是購電。

圖9 系統調度前負荷功率、光伏輸出和SOC 曲線Fig.9 Curves of load power,photovoltaic output and SOC before system scheduling

系統使用調度策略后的實驗結果如圖10 所示。可見：①當系統中有光伏輸入時最大程度地使用光伏，當光伏能量剩余時為蓄電池充電，SOC 曲線在08∶00-16∶00 時段是不斷上升；②根據負荷的優先級以及閾值設定進行負荷調度，將集中在中午時段的負荷合理地轉移至全天，實現系統內光伏發電量的最大化利用；③儲能的供電時段主要在晚上，當儲能不充足時由市電補充。

圖10 系統調度后負荷功率、光伏輸出和SOC 曲線Fig.10 Curves of load power,photovoltaic output and SOC after system scheduling

從以上實驗結果可以得出：調度前系統的平均用電量是270.38 W，調度后系統的平均用電量是239.45 W，降低了11.5%。由此可說明系統的調度策略是有效的，也可提高系統的經濟性。此外，實驗過程中系統根據各電源的供電情況，實現了電源的聯合供電，最大化地利用可再生能源發電，且不影響負荷的正常工作。

4 結語

為減少分布式發電對用戶及電網的不利影響，并發揮其優勢，本文設計了基于電力路由器的家庭能量管理系統，實現了用戶側分布式電源和用電設備的有效管理。當電源側分布式電源輸出波動或不同特性、不同重要等級的負載接入時，能量管理系統根據電源、設備的運行約束條件和優化管理策略調節儲能和電源的輸出；通過控制繼電器動作在保障負載穩定工作前提下盡量利用可再生能源發電。