分布式戶用光伏與冰蓄冷空調協調控制研究

孫建波 王海鳴 曾偉明 方華亮 李大虎 許沛東 陳睿博

(1. 國網湖北省電力公司， 武漢 430077；2. 武漢大學 電氣工程學院， 武漢 430072)

隨著社會的發展進步，人們對能源的需求越來越大，在能源短缺的形勢下，新能源的開發和利用成為了人們的焦點．光伏是新能源發電之一，而且光伏板可以鋪設在居民的屋頂，可以節省土地資源．居民可以使用光伏產生的電能為用電設備供電，這樣既節省了能源也省去了電費．光伏具有隨機性[1]，白天有光照的時候電能比較充足，而到了晚上電能較少．這與居民的用電習慣發生了沖突，因為居民大多白天外出工作，因此白天用電量較少，呈現用電低谷的狀態，而夜晚回到家后用電量明顯增加，出現用電高峰．若想在夜間使用光伏產生的電能則需要解決光伏的逆調峰．

光伏與負荷聯合實時消納，與應用有機結合，由光伏產生的電能被即時消納，如光伏在路燈中的應用，可移動安裝，靈活方便[2]、光伏在農業中的應用，為大棚供暖[3]；或者將產生的電能儲存起來，在負荷高峰時釋放電能，達到削峰填谷、減少系統備用需求的作用[4]．國內外一直在研究光伏存儲技術，應用最多的是使用蓄電池儲能，后來使用飛輪電池儲能，隨著超導技術的發展，超導儲能也變得越來越主流[5]，現在也較多利用光伏控制電機將空氣壓縮儲能[6]，目前比較成熟的儲能方法是用太陽能光伏抽水蓄能[7]．

人們生活水平的提高，導致空調能耗所占的比例越來越大．空調已經成為電力系統中的耗能“大戶”，在我國某些地區，空調設備的耗電量超過了城市總用電量的40%[8]．農村等地區空調的耗電量逐漸增加，電網升級緩慢，無法滿足用電高峰所需電量，造成了夏季高峰用電困難．將光伏和用戶聯合起來，提高光伏的利用率，減少棄光，實現光伏的逆調峰是解決用電困難的可行方式．

本文提出光伏+冰蓄冷空調運行模式，將太陽能以冰的形式存儲下來利用．給出了光伏+冰蓄冷空調系統的結構和系統的協調控制方法，接著對某一地區的冰蓄冷空調系統和常規空調的經濟性進行分析，證實了光伏+冰蓄冷空調系統的經濟可行性．

1 光伏+冰蓄冷空調系統結構

為了解決目前能源緊缺，電網中城市用電峰谷差日趨加大的問題，越來越多的用戶使用戶用太陽能供電．而為了適應居民日出夜歸的生活習慣，本文將光伏發電系統與冰蓄冷空調相結合．光照強度大時，制冷負荷較大，而光照強度小時，制冷負荷通常較小，而且空調制冷可以間歇工作，不受光伏波動性影響．

所謂冰蓄冷空調，就是在電力負荷低時，即用電低谷期空調電動制冷機工作制冷，利用蓄冷介質的顯熱特性，將冷量以一定方式儲存起來．在電力負荷較高時，即用電高峰期把已經儲存的冷量釋放出來，以滿足用戶的需要．這樣，制冷系統都是在用電低谷期耗電，與普通空調相比，冰蓄冷空調系統能夠均衡電網峰谷負荷，而且恰好解決了使用戶用太陽能出現的問題[9]．

空調系統主要由兩大部分組成，一部分是制冷裝置，另一部分是風機盤管系統．冰蓄冷空調系統的組成部分包括：制冷主機(雙工況機組)，蓄冷設備，用戶風機盤管系統．太陽能光伏供電系統+冰蓄冷空調系統的結構如圖1所示．

圖1 冰蓄冷空調結構示意圖

由于戶用光伏和冰蓄冷空調的特點是：白天光伏發電，冰蓄冷空調的制冷設備工作蓄冰；到了夜晚，將白天儲存的冷量釋放制冷，故冰蓄冷空調系統與常規空調相比效率偏低．但冰蓄冷空調工作特性是在用電低谷時工作，儲存冷量，而在用電高峰時只有輔助設備工作進行冷量釋放，從而避開了用電高峰，緩解了電網供電壓力，起到了削峰填谷的作用，而且對提高發電設備效率和保護環境都有巨大的社會經濟效益[10]．

2 系統模型與控制流程

光伏發電離不開光照，而且在太陽光強的時候，系統的發電能力較強；在太陽光弱的時候，系統的發電能力較弱．太陽能發電的這種特點導致了光伏發電不是恒定的，而是一個隨機的過程，隨著當時天氣情況的不同，系統所產生的電能多少也不一樣，是不受控制的．

光伏電池的發電功率為：

Pm=I·S·η·[1-α(T-25)]

(1)

式中，I為板面接受的光照強度；S為光伏電池面積；α為溫度系數；T為組件溫度；η為光伏發電系統的損耗率，常規因素包括組件光電轉化率、表面灰塵的損失、電池方陣組合的損失、最大功率點偏離損失、逆變器的轉換損耗、線路損耗等．

太陽能光伏發電系統產生的電能隨時間變化的曲線如圖2所示．

圖2 不同時間光伏發電系統產生的電能

從圖2可以看出，光伏發電系統發電主要集中在早上6：00至晚上18：00這段，其他時間光伏系統不產生電能．其中因為早上6：00和晚上18：00光伏系統接收的太陽輻射最小，因此光伏系統輸出功率最小，正午12：00的光伏系統接收的太陽輻射量最大，對應最大的輸出功率[11]．理論上跟隨太陽光的強度，光伏發電應類似于正態分布，但從圖中可以看出光伏發電有些時段受天氣變化影響波動較大，光伏發電是不確定的，是一個隨機的過程．

相比之下，冰蓄冷空調的工作情況是可控的，用戶可以選擇在某一時間使其工作在某一個狀態，可以控制冰蓄冷空調系統白天的儲冰量多少．儲冰量的多少與空調系統的制冷機組的工作狀態有關，而冷源系統的工作狀態取決于白天太陽能產生的電能多少．冰蓄冷空調系統的蓄冰量V為

V=E-Ee=E-V·ηe=E/(1+ηe)

(2)

式中，E為空調系統接收到的能量，這里指光伏系統產生的電能；Ee為在儲冰過程中換熱損失的能量；ηe為儲存單位冷量損失的能量．

由公式(2)可知，冰蓄冷空調系統的蓄冰量多少取決于光伏系統產生的能量多少，空調系統可以根據光伏系統在白天產生的能量儲存冷量．太陽能光伏系統產生的電能是隨太陽光照強度變化的，是不確定的，且只在白天才產生電能，夜晚不產生電能．而居民區用電的高峰期卻是在夜晚，所以令冰蓄冷空調在白天的時候利用太陽能光伏產生的電能進行儲冰．

由上面的分析可知，光伏發電是不確定的，但光照強度和制冷負荷之間存在著一定的關系：在陽光不充足的時候系統產生的電能較少，冰蓄冷空調在白天利用光伏產生的電能只能儲存較少的冷量，但在這種陽光不足的情況，天氣往往比較清涼，夜晚使用空調時不需要太多的冷量，能夠滿足用戶的需求；而在天氣較炎熱時，陽光的強度也較大，光伏產生的電能較多，冰蓄冷空調在白天儲存的冷量也十分充足，能夠滿足用戶夜間降溫的需要．根據圖2可知光伏發電具有隨機性，在光照弱時制冷機組制冰功率下降，制冰時間延長，但只要當日儲存足夠的冷量即可．若是系統預測光伏產生的電能不足，無法儲存足量的冷量，系統將接入市電進行制冷儲冰．太陽能光伏發電系統和冰蓄冷空調系統結合使用的控制流程如圖3所示．

通過這種方法，就可以使光伏白天產生的電能在夜晚得到充分的利用，解決了光伏發電系統存在的逆調峰的問題．此外，由于冰蓄冷空調是在用電低谷時進行儲冰，在用電高峰時融冰制冷，大大緩解了電網運行的壓力，起到了削峰填谷的作用．

圖3 光伏和冰蓄冷空調系統的控制流程

3 光伏+冰蓄冷空調系統經濟性分析

冰蓄冷空調的經濟效益包括用戶經濟效益和社會經濟效益兩部分．本文主要對用戶的經濟性進行分析．

3.1 社會經濟效益

在電網側，由于冰蓄冷空調的使用，實現了削峰填谷的作用，減輕了電網的運行壓力，因此調峰電站的容量及輸電設施的容量可以適當的減小，可以節約不少的電力設施投資成本．而且減少了用電峰谷差，使電網側的用電負荷趨于平穩，發電站常用發電機組負荷率均衡，發電效率明顯提高，減少了能源的消耗，也就減少了污染物的排放，一定程度上保護了地球環境[12]，對社會的可持續發展具有重要意義．

3.2 用戶經濟效益

投入一套空調系統運行，費用由兩部分組成：初投資和運行費用．初投資指購買空調設備所需的費用，運行費用指的是系統運行所需的電費和維護費用等．

與常規空調相比，冰蓄冷空調增加了蓄冰裝置、熱交換器等設備，因此冰蓄冷空調系統的初投資一般比普通空調高5%～20%．由于空調的維護費用都相差無幾，冰蓄冷空調和普通空調運行費用相差較大的是運行所消耗的電費，所以運行費用的比較只需要考慮電費即可．冰蓄冷空調系統儲冰過程和換熱過程會有一定的損耗，總的耗電量比普通空調高，效率偏低，但是由于冰蓄冷空調耗電主要發生在用電低谷期，再配合光伏系統的使用，其運行費用和普通空調相比大幅度降低．

前面已經提到，空調系統主要由制冷裝置和風機盤管系統組成，而冰蓄冷空調與普通空調系統的投資差別主要在制冷裝置(冷源系統)，所以在進行經濟性分析時，集中冷源系統的經濟分析．

本文主要對比兩種空調系統在壽命期內的初投資和年運行費用．假設在空調壽命期內電網電價不變，且冰蓄冷空調初投資增加只考慮由于蓄冷裝置的差額，空調部分按普通空調系統計算．

1)初投資：主要包括設備購置費、安裝費和電力增容費等．冰蓄冷空調系統和普通空調系統的初投資為：

C1=F1+Z1

(3)

C2=F2+Z2

(4)

式中，F1、F2分別為冰蓄冷空調系統和普通空調系統的設備投資；Z1、Z2分別為兩種系統的設備運雜費和電力增容費．設備安裝費等和電力增容費通過文獻書籍資料可以查詢[13]．

2)運行費用：由于電力部門實行三段式峰谷分時電價政策，冰蓄冷空調系統利用低谷段的低價電蓄冰，在高峰段釋冷，比普通空調系統節約電費．由于每年的電價保持不變，維修費按設備價格的5%計算．

冰蓄冷空調系統和普通空調系統年運行總費用分別為：

Y1=D+Dd1+0.05F1

(5)

Y2=D+Dd2+0.05F2

(6)

式中，D為基本電費；Dd1為冰蓄冷空調系統年運行電費；Dd2為普通空調系統年運行電費．

普通空調年運行電費為：

Dd2=N(HQh+MQm+LQl)

(7)

式中，H、M、L分別為高峰期、正常期、低谷期電價；N為年空調運行時間；Qh、Qm、Ql分別為普通空調系統設計日高峰期、正常期和低谷期冷負荷．

冰蓄冷空調年運行電費為：

(8)

式中，Qxh、Qxm、Qxl和Qdh、Qdm、Qdl為冰蓄冷空調系統中對應三段式電價結構，蓄冷供冷負荷和直接運行供冷負荷．

4 計算結果分析

本文將一個地區的空調系統統一進行分析，空調夏季工作時間為120 d．基本電價為12元/月，該地區電價采用三段分時電價，其電價見表1[14]．冰蓄冷空調的配置及用電情況見表2、表3．

表1 分時電價表

表2 冰蓄冷空調系統的配置及概算

表3 蓄冷空調系統設備日耗電量情況

普通空調系統的配置及耗電情況見表4～5．根據表2～5和公式(3)～(4)可以得到，冰蓄冷空調系統和普通空調系統的初投資情況，見表6．由公式(7)～(8)可以得到兩種系統的年運行費用，見表7．

由前面得到的數據和公式(5)～(6)可得，兩種系統的年運行總費用見表8．

表4 普通空調系統的配置及概算

表5 普通空調系統設備日耗電量情況

表6 初投資費用情況

表7 年運行電費情況

表8 年運行總費用

冰蓄冷空調系統增加的初投資ΔC和全年節省的運行費用ΔY為：

ΔC=C1-C2

(9)

ΔY=Y2-Y1

(10)

由公式(9)～(10)可得回收期限n為[15]：

n=ΔC/ΔY

(11)

由以上兩種系統的對比分析可知：

1)從表6可知，冰蓄冷空調系統設備初投資及安裝費用等比常規空調多13.83%，可見冰蓄冷空調系統的初投資更多；

2)由于冰蓄冷空調系統低谷用電的工作特性，根據表8可得，該系統的年運行總費用比常規空調少27.85%；

3)根據表6～7和公式(11)可以得到回收期限n=2.54<5，靜態經濟評價法一般認為投資回收周期在5年內為經濟可行[16]，在回收期后每年節省的運行電費就是該系統產生的經濟效益，而且回收期限與電網峰谷電價差有關，如果加大峰谷電價差，回收期限將會縮短，將會獲得更大的經濟效益；

4)由表7可知高峰負荷用電轉移率為(ep-ei)/ep=80.723%，其中ep為普通空調峰段日用電量，ei為冰蓄冷空調峰段日用電量．光伏+冰蓄冷空調系統避開了電網的用電高峰，減輕了電網的供電壓力．

冰蓄冷空調比普通空調更經濟，且由于戶用太陽能和冰蓄冷空調的使用，用戶可以使用自家太陽能光伏產生的電能進行空調制冷，而不需要全部從電網進行購買電能，從而極大減少了購電的費用．

而且由于居民白天往往外出工作，夜晚才回到家中用電，這正與太陽能發電的時間相反，導致了太陽能光伏產生的電能得不到利用，棄光率較高，而夜晚達到了用電高峰，這時太陽能光伏系統不能發電，居民只能購買市電，增加了用電費用．冰蓄冷空調的使用恰恰解決了這個問題，白天太陽能光伏發電，冰蓄冷空調利用太陽能發出的電能進行制冰，儲存起來；到了夜晚，太陽能光伏停止發電，冰蓄冷空調不再進行制冰，而是將白天儲存的冷量進行釋放達到制冷的效果滿足人們的要求．太陽能光伏+冰蓄冷空調系統這種運行模式既沒有浪費白天太陽能光伏產生的電能，又實現了將太陽能產生的電能用在了用電高峰的夜晚，從而實現了削峰填谷，并解決了太陽能光伏的逆調峰．

5 結 論

由于天氣熱時光照強度較大，光伏產生的電能較多，系統蓄冰制冷能夠滿足居民的需求；光照強度弱時，光伏產生的電能少，蓄冰量少，但是天氣往往比較清涼，能夠滿足居民生活的需要．同時，使用光伏+冰蓄冷空調系統雖然初投資比普通空調系統高13.83%，但年總運行費用比普通空調系統少27.85%，冰蓄冷空調系統的回收期限n=2.54<5，在回收期后每年節省的運行電費就是該系統產生的經濟效益．而且光伏+冰蓄冷空調系統是在用電低谷工作，移峰率高達80.723%，提高了太陽能的利用率，實現電網削峰填谷，緩解供電壓力及電網升級改造．而且對用戶來說還可以省去購電的費用．

目前冰蓄冷空調容量大，只能應用在商場等大型場合或多個用戶共同使用，隨著光伏+冰蓄冷空調系統技術的研究和發展，系統的容量可以減小，戶用系統將成為可能．配合分時電價政策的推廣，光伏+冰蓄冷空調系統將具有廣闊的發展前景．

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