儲能電源 家庭用電的“管理者”

儲能電源家庭用電的“管理者”曾奕彰黃毅黃偉平摘要：本文介紹了現(xiàn)在的電力缺口情況及國家限制用電實施的政策法規(guī)，重點介紹了儲能電源在家庭基本生活用電中如何有效的改善用電環(huán)境似2KW儲能電源為例給出簡單家庭用電時段的控制策略和理論計算;結(jié)果論證該儲能電源能夠滿足家庭及整個電網(wǎng)環(huán)境的改善要求。關(guān)鍵詞：儲能電源、削峰填谷、雙向變換、整流、逆變、千瓦時（度）一、 引言：能源緊缺、電力缺口已經(jīng)成為全球不可避免的共同難題！從2010到2012近3年來，中國電力供需最大缺口為3000~4000萬千瓦左右，中電聯(lián)專家認(rèn)為“電力缺口并不是電荒。”出現(xiàn)電力缺口，不同于全國性大面積、持久性“缺電”，總體上屬于結(jié)構(gòu)性缺電，通過采取有序用電措施，加大跨區(qū)跨省電力電量支援、有效協(xié)調(diào)好煤電矛盾，是可以在一定程度上緩解供需矛盾、減少缺口的。作為最基層的用電單位，我們每家每戶也可以通過有效的用電管理為緩解這個電力缺口做一份力所能及的事情！2012年以來我國各地分批次采取了階梯電價的政策，下表為福建省2012年7月1日實施的階梯電價的基本情況，表1：福建省2012年7月1日實施階梯電價措施一覽元/度）月用電量、居民一般階梯用電價居民峰谷分時電價峰谷差價高峰電價8:00—22:00低谷電價22:00-8:000—200千瓦時0.49830.52830.29830.23201—400千瓦時0.54830.57830.34830.23401以上千瓦時0.79830.82830.59830.23合表用戶統(tǒng)一電價0.533（兀/度或兀/千瓦時）國家對生活用電的幾項政策：階梯、合表、峰谷。通過政策來引導(dǎo)居民的用電時間，限制用電浪費;如何響應(yīng)國家的政策需求和靈活管理個人家庭的用電時段給我們提出了一個比較迫切的民生問題！儲能電源，顧名思義就是采用儲能和功率變換設(shè)備，在用電低谷時段22:00-8:00）將電能儲存起來，然后在用電高峰時段（8:00—22:00）將電能釋放出來；等效于將用電高峰時段的用電量減少、削平；在用電低谷時段把用電量增加；也就是電力術(shù)語中的削峰填谷。本文介紹的儲能電源系統(tǒng)有效的利用超級電容、鋰電池、鉛酸電池等儲能裝置，結(jié)合電力電子技術(shù)雙向變換技術(shù)，可以有效對用電環(huán)境進(jìn)行“管理”的儲能電源，為家庭用電提供了更加靈活的可選擇性。二、儲能電源的實現(xiàn)：2.1、 儲能電源系統(tǒng)原理框圖：2.2、 儲能電源系統(tǒng)工作原理介紹：儲能電源系統(tǒng)主要由儲能部分、功率變換部分、監(jiān)控和管理部分以及外部的市電及負(fù)載部分組成其中儲能部分可以由超級電容、鋰電池或鉛酸電池構(gòu)成，主要實現(xiàn)電能的存儲功能;功率變換部分包含雙向變換的AC/DC充電、DC/AC逆變、智能化MMBM電池管理控制、DSP智能化數(shù)字控制以及相關(guān)的電壓電流采樣、濾波電路等構(gòu)成，主要完成電能的轉(zhuǎn)化和控制策略的實現(xiàn)功能；監(jiān)控和管理部分由通訊線路和智能用電管理監(jiān)控平臺構(gòu)成，主要實現(xiàn)用戶端根據(jù)個人基本情況對用電的管理方案輸入到監(jiān)控平臺，DSP數(shù)字控制接收到方案后實現(xiàn)相應(yīng)的管理要求。2.3、 功率變換部份工作模式介紹：(工作模式及時間段可以通過智能用電管理監(jiān)控平臺來實現(xiàn)調(diào)整，本文介紹默認(rèn)設(shè)置模式下的運行狀態(tài))2.3.1、 市電正常的用電低谷時段(22:00-8:00)工作模式：市電通過KB2和KB3直接對所有負(fù)載進(jìn)行供電，同時通過AC/DC充電變換器以及系統(tǒng)MMBM充電管理對儲能設(shè)備進(jìn)行充電，此時的用電總功率為正常的用服用電設(shè)備加上儲能設(shè)備充電時的儲能功率。2.3.2、 市電正常的用電高峰時段(8:00—22:00)工作模式：儲能設(shè)備通過DC/AC逆變變換器對負(fù)載和電網(wǎng)放電，并且通過智能化控制板將逆變輸出電流減少到小于圖1中CT3采樣到的負(fù)載電流，使得輸出電流接近但低于負(fù)載電流(如：當(dāng)負(fù)載功率只有500W，則DC/AC輸出功率控制在400?450W)，保障儲能設(shè)備在用電高峰時段的釋放電能又不至于對電網(wǎng)形成倒灌！當(dāng)負(fù)載功率超過DC/AC逆變器功率時，則DC/AC逆變器滿功率輸出對儲能設(shè)備實現(xiàn)放電；同時市電部分對負(fù)載供電；當(dāng)儲能設(shè)備前一晚上存儲的電能被釋放完成后，系統(tǒng)DC/AC和AC/DC雙向變換器均處于不工作狀態(tài)，負(fù)載用電由市電直接提供。2.3.3、 市電異常的用電低谷時段(22:00-8:00)工作模式：此時系統(tǒng)告警電異常并且KB2斷開，系統(tǒng)由充電狀態(tài)自動轉(zhuǎn)為DC/AC逆變放電狀態(tài)，次要負(fù)載開關(guān)KB3斷開，逆變輸出僅僅對重要負(fù)載供電，如果夜間重要負(fù)載也無需供電，則用戶可以通過智能用電管理平臺將系統(tǒng)關(guān)閉，進(jìn)入全部停電狀態(tài)。儲存電能在急需情況下可以重新開啟系統(tǒng)和放電。2.3.4、 市電異常的用電高峰時段(8:00—22:00)工作模式：此時系統(tǒng)告警電異常并且KB2斷開，系統(tǒng)由充電狀態(tài)自動轉(zhuǎn)為DC/AC逆變放電狀態(tài)，次要負(fù)載開關(guān)KB3斷開，逆變輸出僅僅對重要負(fù)載供電，如果用戶在該階段無需對負(fù)載供電，則用戶可以通過智能用電管理平臺將系統(tǒng)關(guān)閉，進(jìn)入全部停電狀態(tài)。儲存電能在急需情況下同樣可以重新開啟系統(tǒng)和放電。2.4、 儲能電源功率變換部份的硬件和控制實現(xiàn)：2.4.1、主功率拓補圖：圖2：儲能電源雙向變換主功率拓補圖2.4.1、 功率拓補實現(xiàn)：逆變和充電拓補采用可雙向功率變換的全橋加隔離工頻變壓器拓補結(jié)構(gòu)，逆變管采用IGBT的H四橋臂結(jié)構(gòu)，控制簡單，效率高；變壓器考慮儲能設(shè)備直流電壓最高120VDC，最低電壓70VDC，以及市電高低壓時充電要求，主變壓變比設(shè)計220:55，并且采用新能源專用的高效率變壓器，進(jìn)一步提高變換效率，實現(xiàn)高效的綠色電源要求；變壓器設(shè)計漏感10mH，輸出濾波電容取10uF的交流電容。2.4.2、 主控芯片采用功能比較全面的MC9S08DZ96，主要實現(xiàn)對各路模擬量輸入的采樣計算和最終控制方案4路PWM驅(qū)動波形的輸出；三、儲能電源在家庭峰谷用電情況下的經(jīng)濟(jì)效益：我們采用最大DC/AC逆變功率達(dá)到2KW的儲能電源，充電功率按1.5KW計算的設(shè)計樣機(jī)進(jìn)行應(yīng)用；大致估算平均家庭夏季用電400千瓦時（度）/月的用電量采用儲能電源能夠?qū)崿F(xiàn)的節(jié)約經(jīng)濟(jì)效益：表2：家庭用電設(shè)備負(fù)載一覽表家庭用電設(shè)備及平均負(fù)載量估算家庭用電設(shè)備負(fù)載量千瓦家庭用電設(shè)備負(fù)載量千瓦家庭用電設(shè)備負(fù)載量千瓦一匹空調(diào)0.8~1微波爐1.5電磁爐1.3?2電視機(jī)0.2?0.3電飯煲0.8?1.5電冰箱0.05?0.1電風(fēng)扇0.04?0.06電腦0.2洗衣機(jī)0.2熱水器1~2

01 2 3 4 5 6 78 9101112131415161718192021222324每日分時(H)夏季每日瞬時用電對比圖01 2 3 4 5 6 78 9101112131415161718192021222324每日分時(H)夏季每日瞬時用電對比圖圖3：使用儲能電源前后家庭夏季每日瞬時用電量對比圖其中系列1：正常用電時的瞬時用電量曲線圖系列2：采用儲能電源進(jìn)行用電管理后的用電曲線圖通過圖3我們可以明顯的發(fā)現(xiàn)在夏季日常用電高峰期主要集中在3餐時間前后及晚間休閑時段的熱水器及空調(diào)設(shè)備開啟損耗；通過儲能電源對家庭用電的管理，可以實現(xiàn)對日間峰值用電時刻的削峰作用，并且可以有效的將日間用電量降到最低，在用電低谷階段將用電量提高起來，實現(xiàn)了對用電削峰填谷的“管理”作用。根據(jù)用電量統(tǒng)計，采用儲能電源系統(tǒng)后，每日日間的用電量可以從10度電降低到1度左右；每月400度左右用電量的用戶實現(xiàn)理想效益節(jié)約估算為：】每月效益每日差異電量X差異金額X30日=9度X0.23元X30日=62.1元。四、結(jié)論：儲能電源在家庭用電時段的管理思路和措施可以滿足國家政策法規(guī)對用電需求方面引導(dǎo)的要求，并且可以有效的為家庭用戶節(jié)約一定的經(jīng)濟(jì)效益，本文通過對2KW儲能電源與家庭用電設(shè)備結(jié)合管理，并以夏季的高峰用電時段管理數(shù)據(jù)驗證本儲能電源用電管理的可行性。參考文獻(xiàn)：1、 《中電聯(lián)專家：電力缺口不等于電荒》中國證券報2012年06月08日2、 程紅麗王立劉健王利強(qiáng)《電容儲能的自動化終端備用開關(guān)電源設(shè)計》 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制2009.223、 程紅麗王立劉健王利強(qiáng)《一種雙變換器UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究》 電氣應(yīng)用2007.