含光伏電源的家庭能量管理系統(tǒng)研究概述目錄TOC\o"1-3"\h\u32038含光伏電源的家庭能量管理系統(tǒng)研究概述 127451.1家庭能量管理系統(tǒng)的模型框架 175601.2家庭能量管理系統(tǒng)的功能模塊 3184241.3光伏發(fā)電設(shè)備的模型 3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能電網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，加快了居民側(cè)用電智能化，促進了家庭能量管理系統(tǒng)(HomeEnergyManagementSystem,HEMS)概念的提出。近些年來，基于無線網(wǎng)絡(luò)通信的家庭能量管理系統(tǒng)已經(jīng)成為電力研究領(lǐng)域的研究熱點,通信設(shè)備可將智能用電設(shè)備的信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)關(guān)口，實現(xiàn)了電網(wǎng)和家庭間的雙向信息交流。但是過去的對于HEMS的研究著重于采集家庭內(nèi)的用電信息和控制電能的質(zhì)量，對家庭能量管理優(yōu)化控制策略相關(guān)的研究并不多。智能電網(wǎng)發(fā)展使大量居民用戶擁有可再生的分布式電源，為了提高居民用電效率、減少浪費，研究含分布式電源的家庭能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)控具有重要意義。1.1家庭能量管理系統(tǒng)的模型框架1.1.1家庭能量管理系統(tǒng)的組成智能電網(wǎng)環(huán)境下，家庭能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)電網(wǎng)需要實現(xiàn)更多功能，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，全新的HEMS結(jié)構(gòu)主要由分布式發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備、智能電表、和家庭用電設(shè)備組成[7]。用電負荷通過智能電表與外部電網(wǎng)相連，家庭能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖3-1家庭能量管理系統(tǒng)的組成（1）分布式電源應(yīng)用于HEMS的分布式發(fā)電設(shè)備主要是使用清潔能源的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備和光伏發(fā)電設(shè)備，但是光照強度和風(fēng)速是不可控的變量，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的出力是具有很大隨機性和波動性的，為了提高電能質(zhì)量和維持系統(tǒng)穩(wěn)定，可使用儲能設(shè)備進行彌補。在分布式發(fā)電設(shè)備出力遠大于家用負荷需求時，可向電網(wǎng)出售多余電能獲取收益。（2）儲能設(shè)備風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的飛速發(fā)展帶動了儲備設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，儲能設(shè)備不僅可以保證分布式發(fā)電設(shè)備的電能質(zhì)量，減小風(fēng)力、光伏發(fā)電不穩(wěn)定對電力系統(tǒng)和家用負荷的沖擊，還能在低電價時段儲蓄電能，在高電價時段給家用負荷供電，這一削峰填谷的過程可以極大地降低用戶用電總費用。儲能形式有機械儲能、電磁儲能等多種形式。機械儲能常常是以做功的形式實現(xiàn)，例如飛輪儲能和出水蓄能等，飛輪儲能使用電能加速轉(zhuǎn)子把電能轉(zhuǎn)化為動能進行儲存，抽水儲能是通過抽水將電能轉(zhuǎn)化為水的重力勢能儲蓄起來，也稱抽水蓄能。電磁儲能最常見的形式就是蓄電池，蓄電池的容量大、密度大等優(yōu)點使其在中小規(guī)模系統(tǒng)中較為適用[27,28]，是最佳的HEMS儲能裝置。（3）智能電表家庭能量管理系統(tǒng)能夠與電網(wǎng)進行能量流和信息流的雙向流動，通過智能電表完成家庭與外電網(wǎng)的信息交流和能量傳遞過程，智能電表可以根據(jù)負荷的電能需求、分布式電源發(fā)電預(yù)測、市場的電價和優(yōu)化目標進行系統(tǒng)調(diào)控，根據(jù)家庭各設(shè)備運行狀況和需求向電網(wǎng)進行購電或者售電。（4）家用負荷在HEMS系統(tǒng)中，根據(jù)各種負荷的不同負荷特性可將負荷分為可調(diào)度負荷和不可調(diào)度負荷，可調(diào)度負荷又可以再細分為可中斷負荷和不可中斷負荷[29]。1.1.2家庭能量管理系統(tǒng)運行特性家庭能量管理系統(tǒng)利用無線通信技術(shù)將家庭環(huán)境內(nèi)用電負載、分布式發(fā)電設(shè)備、檢測控制裝置組成網(wǎng)絡(luò)并與外部電網(wǎng)相連，實現(xiàn)電網(wǎng)和HEMS之間的信息和電能雙向流動。正常情況下，家庭能量管理系統(tǒng)并網(wǎng)運行，電網(wǎng)正常運行時，分布式發(fā)電設(shè)備以MPPT運行模式工作，由分布式發(fā)電設(shè)備給家用負荷進行供電，當分布式電源的輸出功率大于家庭內(nèi)用電負荷所需的功率時，HEMS將多余的電能可進行出售；當分布式電源輸出的功率小于家庭內(nèi)用電負荷所需的功率時，HEMS向電網(wǎng)公司購買所缺功率；若電網(wǎng)突然發(fā)生故障，應(yīng)及時切斷與外部電網(wǎng)的聯(lián)系，電網(wǎng)的故障解決后HEMS再重新并網(wǎng)[7]。HEMS對于各種用電負荷進行調(diào)度主要依據(jù)是各負荷的不可調(diào)度系數(shù)，用戶對某一負荷的依賴性越大則它的不可調(diào)度系數(shù)也越大，HEMS對不可調(diào)度系數(shù)小的負荷優(yōu)先調(diào)度，對不可調(diào)度系數(shù)大的負荷最后調(diào)度。1.2家庭能量管理系統(tǒng)的功能模塊文獻[4]指出，在智能電網(wǎng)環(huán)境下，一個完善的家庭能量管理系統(tǒng)應(yīng)當至少包含用戶設(shè)置模塊、檢測模塊、預(yù)測模塊、優(yōu)化調(diào)度模塊、設(shè)備監(jiān)控五個功能模塊。（1）用戶功能模塊此模塊可以讓用戶在交互界面對家庭能量管理系統(tǒng)環(huán)境內(nèi)的所有設(shè)備進行個人偏好的參數(shù)設(shè)置。包括預(yù)設(shè)各用電設(shè)備的工作時間范圍，設(shè)定家庭內(nèi)溫度、濕度、空氣質(zhì)量，還可以設(shè)定各負荷設(shè)備的調(diào)度優(yōu)先級，為了用戶的用電舒適度，重要負荷的調(diào)度優(yōu)先級應(yīng)較低，越晚進行調(diào)度越好。（2）檢測模塊檢測過程是HEMS進行監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)，檢測模塊可以完成環(huán)境檢測和設(shè)備檢測等檢測工作。設(shè)備檢測指用電設(shè)備和分布式電源的工作狀態(tài)檢測；環(huán)境檢測主要是檢測室內(nèi)環(huán)境里能夠影響居民舒適度、滿意度的溫度、濕度、光照等因素。（3）預(yù)測模塊使用風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的分布式發(fā)電設(shè)備功率輸出的關(guān)鍵變量分別是風(fēng)速和光照強度，出力波動較大且具有隨機性，為了應(yīng)對這一問題，需要使用預(yù)測算法預(yù)測這些分布式電源的功率輸出，對于分布式電源和儲能設(shè)備的配合和提高電能的利用效率具有重要意義，進行優(yōu)化調(diào)度時，也需要家庭分布式電源出力數(shù)據(jù)，優(yōu)先安排使用家庭電源給負荷供電。（4）優(yōu)化控制模塊此模塊是整個HEMS的核心模塊，它能夠根據(jù)檢測模塊和預(yù)測模塊的各種信息對家庭能量管理系統(tǒng)內(nèi)的可調(diào)度設(shè)備的運行進行優(yōu)化調(diào)度，這是居民需求側(cè)響應(yīng)的關(guān)鍵所在，在優(yōu)化調(diào)度模塊的作用下可使HEMS得到最優(yōu)的調(diào)控目標。（5）用電設(shè)備監(jiān)控模塊此模塊是優(yōu)化調(diào)度過程的執(zhí)行模塊，它可根據(jù)優(yōu)化調(diào)度模塊給出的調(diào)度任務(wù)對各用電負荷設(shè)備和儲能設(shè)備的工作狀態(tài)進行監(jiān)測和控制，按照調(diào)度任務(wù)對用電設(shè)備執(zhí)行啟動或關(guān)閉行為，并將優(yōu)化調(diào)度的執(zhí)行結(jié)果反饋給用戶1.3光伏發(fā)電設(shè)備的模型本文僅考慮光伏發(fā)電設(shè)備作為分布式發(fā)電設(shè)備進行研究。與傳統(tǒng)電源不同的是，分布式電源光伏發(fā)電設(shè)備的功率輸出具有間歇性、波動性和隨機性，功率輸出一般會受到多個因素影響，例如光照強度的大小、環(huán)境溫度、光伏電池的能