CN113673779B - 一种农村家庭新能源系统优化配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种农村家庭新能源系统优化配置方法，包括如下过程：确定农村家庭新能源系统的组成；根据市场电价机制和农村家庭能源系统各组成的用能特征，制订农村家庭新能源系统的综合能量管理策略；建立农村家庭新能源系统配置屋顶光伏安装容量的优化目标和约束条件；结合所述优化目标、约束条件以及综合能量管理策略，计算得出农村家庭新能源系统优化配置的最优配置方案。本发明提供的方法能够结合农村家庭的实际情况，实现农村家庭新能源系统屋顶光伏安装容量的最优配置，对农村家庭新能源系统实现高经济性、低碳排放运行具有重要意义。

Description

一种农村家庭新能源系统优化配置方法
技术领域
本发明属于农村家庭微电网规划设计领域，具体涉及一种农村家庭新能源系统优化配置方法。
背景技术
随着“碳达峰、碳中和”政策的推进，以风光发电为主的新能源系统如雨后春笋般出现。但是新能源系统的配置合理性决定整个系统后期的运行经济效益，因此在规划设计的初期阶段对其进行优化配置研究尤为重要。
目前我国针对农村地区的微电网规划设计研究主要集中在区域性层面，通过建设地面光伏电站或者风力发电站与低压电网配合以满足一片区域的农村家庭用能需求，同时考虑了区域电动汽车的充电需求问题。然而，对于农村家庭层面的新能源系统规划设计方面的研究较少，并且以上研究仅将电动汽车作为交通工具使用，对农村家庭用能特征挖掘不足。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种农村家庭新能源系统优化配置方法，以解决基于农村家庭应用场景的新能源系统优化配置问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种农村家庭新能源系统优化配置方法，包括如下过程：
确定农村家庭新能源系统的组成；
根据市场电价机制和农村家庭能源系统各组成的用能特征，制订农村家庭新能源系统的综合能量管理策略；
建立农村家庭新能源系统配置屋顶光伏安装容量的优化目标和约束条件；
结合所述优化目标、约束条件以及综合能量管理策略，计算得出农村家庭新能源系统优化配置的最优配置方案。
优选的，根据农村家庭所用设备类型，确定农村家庭新能源系统的组成：
农村家庭所用设备类型包括农村家庭生活所需的典型用能设备、同时具有交通工具属性和储能特性的设备以及自身可以产生电能的设备；农村家庭生活所需的典型用能设备、同时具有交通工具属性和储能特性的设备以及自身可以产生电能的设备相互之间的能量流动通过AC母线实现，AC母线与低压电网之间能够进行电能的双向流动；
其中，农村家庭生活所需的典型用能设备包括空调、热水器、冰箱、洗衣机和电灯；同时具有交通工具属性和储能特性的设备包括电动汽车；自身可以产生电能的设备包括屋顶光伏发电系统。
优选的，市场电价机制为居民峰谷电价。
优选的，农村家庭新能源系统的综合能量管理策略包括三个时段，三个时段分别为峰电价且电动汽车在家时段、峰电价且电动汽车不在家时段以及谷电价时段；
各时段的综合能量管理策略如下：
在峰电价且电动汽车在家时段，若此时刻家庭负载小于屋顶光伏发电功率，将多余的发电功率储存到电动汽车中，若仍有剩余，则上网售电；若此时刻家庭负载大于光伏发电功率，使用电动汽车放电来提供电功率，剩余部分电功率向低压电网购买；
在峰电价且电动汽车不在家时段，若此时刻家庭负载小于光伏发电功率，将多余的发电功率向低压电网售出；若此时刻家庭负载大于光伏发电功率，则向低压电网购电；
在谷电价时段，由于光伏发电的上网售电经济效益高于将其供给谷电价时段负荷，谷电价时段的家庭负载由低压电网来获得；与此同时，此时段结合次日发电、用电情况对电动汽车进行蓄电，即若次日峰电价时段的光伏发电量小于家庭负载用电量，则根据其差值进行电动汽车谷电预充以满足次日峰时段的电能供需平衡。
优选的，农村家庭新能源系统配置屋顶光伏安装容量的优化目标为农村家庭新能源系统年均用能成本最小和自发自用率最大。
优选的，农村家庭新能源系统年均用能成本包含：屋顶光伏发电系统的年均投资成本、维护成本以及每年的光伏补贴成本、购售电成本和电动汽车损耗成本。
优选的，屋顶光伏发电系统的投资成本包括光伏组件、逆变器、并网箱、光伏线缆、交流线缆、避雷接地线、支架以及MC4连接器的初期购置成本；
屋顶光伏发电系统的维护成本包括：在屋顶光伏发电系统运行周期内，屋顶光伏发电系统内设备损坏或者人工维护所带来的成本；
电动汽车损耗成本为闲置在家的电动汽车作为储能电池使用时，充放电过程中造成的电池损耗带来的成本。
优选的，所述自发自用率为光伏发电系统产生的能量中用于家庭内部使用与其总发电量的比值。
优选的，所述约束条件为光伏安装容量约束、系统功率平衡约束以及电动汽车电池约束和离家状态约束；
其中：光伏安装容量约束为光伏安装容量受到家庭屋顶可用安装面积的约束；
系统功率平衡约束为农村家庭新能源系统输入与输出代数和为0；
电动汽车电池约束为电动汽车电池在使用过程中电池的充放电功率以及荷电状态均应该在允许的范围内；
离家状态约束指的是若电动汽车不在家则不可以作为储能电池使用。
优选的，结合所述优化目标、约束条件以及综合能量管理策略，使用启发式优化算法进行求解，得出农村家庭新能源系统优化配置的光伏最优配置功率。
本发明有以下有益效果：
本发明农村家庭新能源系统优化配置方法，结合农村家庭的用能场景，确定农村家庭新能源系统的组成，基于相应的优化目标探索农村家庭新能源系统的合理构成。充分挖掘了电动汽车的交通工具属性和储能特性，能够将闲置在家时的电动汽车作为储能电池使用，并且结合农村用户用能特征制订农村家庭新能源系统综合能量管理策略。综上，本发明提供的方法能够结合农村家庭的实际情况，实现农村家庭新能源系统屋顶光伏安装容量的最优配置，即降低年均用能成本、提高农村家庭新能源系统的光伏自发自用率，对农村家庭新能源系统实现高经济性、低碳排放运行具有重要意义。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例中农村家庭新能源系统结构图；
图2为本发明实施例中农村家庭新能源系统优化配置流程图；
图3为本发明实施例中典型年光伏逐时发电功率曲线；
图4为本发明实施例中该农村家庭负荷数据曲线；
图5为本发明实施例中该农村家庭电动汽车的使用习惯图，其中(a)为电动汽车出行时刻分布图；(b)为电动汽车出行里程分布图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
本发明农村家庭新能源系统优化配置方法，包括以下步骤：
步骤1：充分挖掘农村家庭所用设备类型，确定农村家庭新能源系统组成；具体的：
农村家庭所用设备类型，包括以下三类：第一类设备，用于农村家庭生活所需的典型用能设备，如空调、热水器、冰箱、洗衣机、电灯；第二类设备，同时具有交通工具属性和储能特性的设备，如电动汽车；第三类设备，自身可以产生电能的设备，如屋顶光伏发电系统；电动汽车是一种交通工具，与此同时，由于电动汽车可以储存电能也可以释放电能，因此其闲置在家时也可以作为储能设备使用。将电动汽车作为交通工具使用时可以满足用户出行的需求，但是在进行电动汽车电池能量计算时，需要考虑其出行使用过程的电池能量消耗；电动汽车闲置在家作为储能设备使用时，若通过电网为其充电，则体现了电动汽车的G2V功能，若使用电动汽车为家庭负载供电，则体现了电动汽车的V2H功能。但是在实现电动汽车的G2V和V2H功能时，需要在进行电动汽车电池能量计算时考虑电池的充放电效率。屋顶光伏发电系统，其产生的直流电需要使用逆变器转变为交流电，然后才可以被农村家庭新能源系统内的设备使用或者出售给低压电网。
上述三类设备间的能量流动通过系统内的AC母线实现，并且该系统可以与低压电网实现电能的双向流动，即该系统向低压电网进行购电和售电。与此同时，该系统内各类设备间以及该系统与低压电网之间均可以实现信息的交互。
步骤2：根据市场电价机制和农村家庭用能特征，制订农村家庭新能源系统综合能量管理策略；其中，市场电价机制为居民峰谷电价。所述农村家庭用能特征，对于电动汽车，农村家庭的使用频率不高，所以其经常闲置在家；对于屋顶光伏发电系统，用户更倾向于发电优先自用，然后上网售电。农村家庭新能源系统综合能量管理策略由三个时段组成，包括峰电价且电动汽车在家时段、峰电价且电动汽车不在家时段以及谷电价时段。
各时段的能量调节策略为：
1)在峰电价且电动汽车在家时段，若此时刻家庭负载小于光伏发电功率，可优先将多余的发电功率储存到电动汽车中，若仍有剩余，则选择上网售电；若此时刻家庭负载大于光伏发电功率，可优先使用电动汽车放电来提供，剩余部分向低压电网购电来满足。
2)在峰电价且电动汽车不在家时段，若此时刻家庭负载小于光伏发电功率，可将多余的发电功率向低压电网售出；若此时刻家庭负载大于光伏发电功率，则向低压电网购电来满足。
3)在谷电价时段，由于光伏发电的上网售电经济效益高于将其供给谷电价时段负荷，因此谷电价时段的家庭负载由低压电网来满足。与此同时，此时段可结合次日发电、用电情况对电动汽车进行蓄电，即若次日峰电价时段的光伏发电量小于家庭负载用电量，则根据其差值进行电动汽车谷电预充以满足次日峰时段的电能供需平衡。
步骤3：建立农村家庭新能源系统配置屋顶光伏安装容量的优化目标和约束条件；所述农村家庭新能源系统配置屋顶光伏安装容量的优化目标为该系统年均用能成本最小和自发自用率最大，并且在系统优化配置时需要同时满足上述两个优化目标。其中，农村家庭新能源系统的年均用能成本，包含以下几个部分：屋顶光伏发电系统的年均投资成本、维护成本以及每年的光伏补贴成本、购售电成本、电动汽车损耗成本。屋顶光伏发电系统的投资成本主要为光伏组件、逆变器、并网箱、光伏线缆、交流线缆、避雷接地线、支架以及MC4连接器的初期购置成本。屋顶光伏发电系统的维护成本主要为在系统运行周期内，系统内设备损坏或者人工维护所带来的成本。光伏补贴成本，根据国内光伏发电政策，用户可以根据光伏系统的发电量得到相应的国家补贴。购售电成本，农村家庭新能源系统与低压电网之间进行能量交换所带来的成本。电动汽车损耗成本，闲置在家的电动汽车作为储能电池使用时，需要考虑其充放电过程中造成的电池损耗带来的成本。农村家庭新能源系统的自发自用率，即光伏发电系统产生的能量中用于家庭内部使用与其总发电量的比值。
所述约束条件为光伏安装容量约束、系统功率平衡约束以及电动汽车电池约束和离家状态约束。其中，光伏安装容量约束是由于光伏安装容量受到该家庭屋顶可用安装面积的约束；系统功率平衡约束为农村家庭新能源系统输入与输出代数和为0；电动汽车电池约束则是为了保证电动汽车电池的使用寿命，在使用过程中电池的充放电功率以及荷电状态均应该在允许的范围内；而离家状态约束指的是若电动汽车不在家则不可以作为储能电池使用。
步骤4：结合上述优化目标、约束条件以及能量管理策略，使用启发式优化算法进行求解，得出系统的最优配置方案。
实施例
下面以河北省南部地区的农村家庭为例，并结合图1-图5、表1-表2进行实施例验证。
如图2所示，农村家庭新能源系统优化配置的流程包括如下步骤：
S1，充分挖掘农村家庭所用设备类型，确定农村家庭新能源系统组成；
如图1所示，该农村家庭新能源系统包括家庭负载、电动汽车(G2V/V2H)以及屋顶光伏发电系统。
其中，家庭负载为第一类设备，即农村家庭生活所需的典型用能设备，如空调、热水器、冰箱、洗衣机、电灯；
电动汽车(G2V/V2H)为第二类设备，兼有交通工具属性和储能特性。
将电动汽车作为交通工具使用时可以满足用户出行的需求，但是在进行电动汽车电池能量计算时，需要考虑其出行使用过程的电池能量消耗；电动汽车闲置在家作为储能设备使用时，若通过电网为其充电，则体现了电动汽车的G2V功能，若使用电动汽车为家庭负载供电，则体现了电动汽车的V2H功能。但是在实现电动汽车的G2V和V2H功能时，需要在进行电动汽车电池能量计算时考虑电池的充放电效率。
屋顶光伏发电系统为第三类设备，其自身可以产生电能，但是其产生的直流电需要使用逆变器转变为交流电，然后才可以被农村家庭新能源系统内的设备使用或者出售给低压电网。
农村家庭新能源系统主要由上述三类设备组成，该系统中各类设备间的能量流动通过系统内的AC母线实现，并且该系统可以与低压电网实现电能的双向流动，即该系统向低压电网进行购电和售电。与此同时，该系统内各类设备间以及该系统与低压电网之间均可以实现信息的交互。
图1中的pcc是家庭新能源系统与低压电网的公共连接点，家庭新能源系统向低压电网购售电的功率即为该点功率。家庭新能源系统中各类设备的信息交互通过HEMS实现，于此同时，市场电价机制和天气信息输入到HEMS中，实现系统内AC母线的能量管理。
在执行S1的过程中，本实施例选用单晶硅光伏组件，其单位安装功率下典型年光伏逐时发电功率曲线如图3所示；家庭负载以及该农村家庭电动汽车的使用习惯数据信息均通过实际案例采集获取，其中典型年的一月份数据如图4、图5的(a)、(b)所示。
S2，根据市场电价机制和农村家庭用能特征，制订农村家庭新能源系统综合能量管理策略；
市场电价机制为居民峰谷电价。农村家庭用能特征，对于电动汽车，农村家庭的使用频率不高，所以其经常闲置在家；对于屋顶光伏发电系统，用户更倾向于发电优先自用，然后上网售电。
农村家庭新能源系统综合能量管理策略由三个时段组成，包括峰电价且电动汽车在家时段、峰电价且电动汽车不在家时段以及谷电价时段。
其各时段的能量调节策略为：
1)在峰电价且电动汽车在家时段，若此时刻家庭负载小于光伏发电功率，可优先将多余的发电功率储存到电动汽车中，若仍有剩余，则选择上网售电；若此时刻家庭负载大于光伏发电功率，可优先使用电动汽车放电来提供，剩余部分向低压电网购电来满足。
2)在峰电价且电动汽车不在家时段，若此时刻家庭负载小于光伏发电功率，可将多余的发电功率向低压电网售出；若此时刻家庭负载大于光伏发电功率，则向低压电网购电来满足。
3)在谷电价时段，由于光伏发电的上网售电经济效益高于将其供给谷电价时段负荷，因此谷电价时段的家庭负载由低压电网来满足。与此同时，此时段可结合次日发电、用电情况对电动汽车进行蓄电，即若次日峰电价时段的光伏发电量小于家庭负载用电量，则根据其差值进行电动汽车谷电预充以满足次日峰时段的电能供需平衡。
在执行S2的过程中，该地区的居民峰谷电价如附表1所示。
表1
以上农村家庭新能源系统综合能量管理策略是从用户经济效益的角度出发而制定的。
S3，建立农村家庭新能源系统的优化目标和约束条件；
农村家庭新能源系统的优化目标为该系统年均用能成本最小和自发自用率最大，并且在系统优化配置时需要同时满足上述两个优化目标。
上述农村家庭新能源系统的年均用能成本，包含以下几个部分：屋顶光伏发电系统的年均投资成本、维护成本以及每年的光伏补贴成本、购售电成本、电动汽车损耗成本。
其中，屋顶光伏发电系统的投资成本主要为光伏组件、逆变器、并网箱、光伏线缆、交流线缆、避雷接地线、支架以及MC4连接器的初期购置成本。
屋顶光伏发电系统的维护成本主要为在系统运行周期内，系统内设备损坏或者人工维护所带来的成本。
光伏补贴成本，根据国内光伏发电政策，用户可以根据光伏系统的发电量得到相应的国家补贴。
购售电成本，农村家庭新能源系统与低压电网之间进行能量交换所带来的成本。
电动汽车损耗成本，闲置在家的电动汽车作为储能电池使用时，需要考虑其充放电过程中造成的电池损耗带来的成本。
上述农村家庭新能源系统的自发自用率，即光伏发电系统产生的能量中用于家庭内部使用与其总发电量的比值。
约束条件为光伏安装容量约束、系统功率平衡约束以及电动汽车电池约束和离家状态约束。
其中，光伏安装容量约束是由于光伏安装容量受到该家庭屋顶可用安装面积的约束，本实施例中该家庭最大光伏可安装功率为7kW；系统功率平衡约束为农村家庭新能源系统输入与输出代数和为0；电动汽车电池约束则是为了保证电动汽车电池的使用寿命，在使用过程中电池的充放电功率以及荷电状态均应该在允许的范围内，其最大充放电功率为5kW，SOC的取值范围为[0.3,0.95]，另外其充放电效率分别为0.85、0.95，；而离家状态约束指的是若电动汽车不在家则不可以作为储能电池使用。
S4，结合上述优化目标、约束条件以及能量管理策略，使用启发式优化算法进行求解，得出农村家庭新能源系统的光伏最优配置功率为2.47kW。
采用本发明农村家庭新能源系统优化配置方法与以下三种传统用能方案的年均用能成本、自发自用率对比如附表2所示；
表2
方案 Npv/kW 年均用能成本/元 自发自用率％
1 0 1726.2 -
2 2.47 960.8 0
3 2.47 802.4 31.09
本发明 2.47 698.6 88.43
从表2可以看出，采用本发明农村家庭新能源系统优化配置方法，在同一家庭用能场景下，年均用能成本更低、自发自用率更高。与此同时，本发明农村家庭新能源系统优化配置方法与方案1相比，碳排放更小。
其中，方案1为不安装光伏的传统用能方式；方案2为安装光伏，以全额上网方式运营；方案3为安装光伏，以自发自用、余电上网方式运营。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种农村家庭新能源系统优化配置方法，其特征在于，包括如下过程：
确定农村家庭新能源系统的组成；
根据市场电价机制和农村家庭能源系统各组成的用能特征，制订农村家庭新能源系统的综合能量管理策略；
建立农村家庭新能源系统配置屋顶光伏安装容量的优化目标和约束条件；
结合所述优化目标、约束条件以及综合能量管理策略，计算得出农村家庭新能源系统优化配置的最优配置方案；
根据农村家庭所用设备类型，确定农村家庭新能源系统的组成：
农村家庭所用设备类型包括农村家庭生活所需的典型用能设备、同时具有交通工具属性和储能特性的设备以及自身可以产生电能的设备；农村家庭生活所需的典型用能设备、同时具有交通工具属性和储能特性的设备以及自身可以产生电能的设备相互之间的能量流动通过AC母线实现，AC母线与低压电网之间能够进行电能的双向流动；
其中，农村家庭生活所需的典型用能设备包括空调、热水器、冰箱、洗衣机和电灯；同时具有交通工具属性和储能特性的设备包括电动汽车；自身可以产生电能的设备包括屋顶光伏发电系统；
市场电价机制为居民峰谷电价；
农村家庭新能源系统的综合能量管理策略包括三个时段，三个时段分别为峰电价且电动汽车在家时段、峰电价且电动汽车不在家时段以及谷电价时段；
各时段的综合能量管理策略如下：
在峰电价且电动汽车在家时段，若此时刻家庭负载小于屋顶光伏发电功率，将多余的发电功率储存到电动汽车中，若仍有剩余，则上网售电；若此时刻家庭负载大于光伏发电功率，使用电动汽车放电来提供电功率，剩余部分电功率向低压电网购买；
在峰电价且电动汽车不在家时段，若此时刻家庭负载小于光伏发电功率，将多余的发电功率向低压电网售出；若此时刻家庭负载大于光伏发电功率，则向低压电网购电；
在谷电价时段，由于光伏发电的上网售电经济效益高于将其供给谷电价时段负荷，谷电价时段的家庭负载由低压电网来获得；与此同时，此时段结合次日发电、用电情况对电动汽车进行蓄电，即若次日峰电价时段的光伏发电量小于家庭负载用电量，则根据其差值进行电动汽车谷电预充以满足次日峰时段的电能供需平衡；
农村家庭新能源系统配置屋顶光伏安装容量的优化目标为农村家庭新能源系统年均用能成本最小和自发自用率最大；
农村家庭新能源系统年均用能成本包含：屋顶光伏发电系统的年均投资成本、维护成本以及每年的光伏补贴成本、购售电成本和电动汽车损耗成本；
屋顶光伏发电系统的投资成本包括光伏组件、逆变器、并网箱、光伏线缆、交流线缆、避雷接地线、支架以及MC4连接器的初期购置成本；
屋顶光伏发电系统的维护成本包括：在屋顶光伏发电系统运行周期内，屋顶光伏发电系统内设备损坏或者人工维护所带来的成本；
电动汽车损耗成本为闲置在家的电动汽车作为储能电池使用时，充放电过程中造成的电池损耗带来的成本；
所述自发自用率为光伏发电系统产生的能量中用于家庭内部使用与其总发电量的比值；
所述约束条件为光伏安装容量约束、系统功率平衡约束以及电动汽车电池约束和离家状态约束；
其中：
光伏安装容量约束为光伏安装容量受到家庭屋顶可用安装面积的约束；
系统功率平衡约束为农村家庭新能源系统输入与输出代数和为0；
电动汽车电池约束为电动汽车电池在使用过程中电池的充放电功率以及荷电状态均应该在允许的范围内；
离家状态约束指的是若电动汽车不在家则不可以作为储能电池使用；
结合所述优化目标、约束条件以及综合能量管理策略，使用启发式优化算法进行求解，得出农村家庭新能源系统优化配置的光伏最优配置功率。
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