蓄電池容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
2017-5-22 11:14:06??????點(diǎn)擊：
建筑全直流供電以及分布式蓄能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)建筑從電網(wǎng)恒定功率用電，能夠從根本上解決城市電力負(fù)荷的峰谷差問(wèn)題，提高電源電網(wǎng)效率，改變可再生電力無(wú)法利用的狀況，具有巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
蓄電池容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
建筑直流供電系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于蓄電池容量的設(shè)計(jì)，它決定了從電網(wǎng)恒功率用電的移峰填谷目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)。根據(jù)電力供給與需求的平衡關(guān)系，可以得到蓄電系統(tǒng)實(shí)時(shí)充電功率P bat：
（1）
其中P grid為從電網(wǎng)取電功率，P load為建筑的用電負(fù)荷功率，P gen為光伏板等建筑內(nèi)部電源的發(fā)電功率，P load與P gen二者之差為建筑物的凈用電負(fù)荷：P= P load - P gen。P bat為正值時(shí)，表示需要向蓄電池蓄電；為負(fù)值時(shí)，表示需要蓄電池放電。
對(duì)式（1）進(jìn)行一天24 h的逐時(shí)積分，有：
（2）
即可得到直流供電系統(tǒng)在一天24 h內(nèi)各個(gè)時(shí)刻T的蓄電池荷電量的瞬時(shí)值，荷電量瞬時(shí)值相鄰波峰波谷差的最大值，即為當(dāng)日所需的蓄電池容量。
從式（1）、式（2）中可以看出：蓄電池的容量與電網(wǎng)取電功率P grid和建筑凈用電負(fù)荷P 有關(guān)，下面具體討論這兩個(gè)參數(shù)的確定方法。
▌ 1. 1 建筑用電負(fù)荷的計(jì)算
對(duì)于既有建筑的電力負(fù)荷，可以通過(guò)實(shí)地測(cè)量、日志記錄等方式直接獲得，對(duì)于新建建筑可以通過(guò)模擬計(jì)算得到。
本文采用DeST軟件進(jìn)行建筑建模，模擬計(jì)算空調(diào)負(fù)荷，并由軟件的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算光伏發(fā)電量。DeST是建筑環(huán)境及空調(diào)系統(tǒng)的模擬分析軟件平臺(tái)，用于建筑環(huán)境的模擬預(yù)測(cè)、性能評(píng)估、系統(tǒng)的性能優(yōu)化 。這種基于軟件模擬的方法與實(shí)測(cè)值可能存在一定的偏差，但對(duì)于新建建筑在設(shè)計(jì)階段的設(shè)備選型定容，是非常有效的手段。
▌1. 2 直流供電及蓄電系統(tǒng)控制策略
建筑直流供電系統(tǒng)主要通過(guò)調(diào)節(jié)蓄電池充放電功率，滿足建筑的用電負(fù)荷，達(dá)到電網(wǎng)實(shí)際取電功率 P grid恒定或者滿足需求響應(yīng)的目的。建筑直流供電系統(tǒng)控制策略不同，取電功率控制目標(biāo)也不相同。主要的幾種控制策略包括：
a. 恒功率取電策略：通過(guò)控制電池充放電功率，建筑將以恒定功率或接近恒定功率的方式從電網(wǎng)取電。
b. 基于需求響應(yīng)的策略：需求響應(yīng)是指為了提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率、安全性和能源資源利用水平，通過(guò)各種激勵(lì)手段促使電力用戶改變用電行為，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)移［8］。基于需求響應(yīng)的策略是指根據(jù)電網(wǎng)的需求響應(yīng)規(guī)定，確定不同的分時(shí)取電功率。
c. 基于實(shí)時(shí)電價(jià)的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化策略：市政電網(wǎng)會(huì)根據(jù)用電負(fù)荷狀態(tài)，制定分時(shí)電價(jià)。建筑直流供電系統(tǒng)可根據(jù)市政電網(wǎng)的價(jià)格信號(hào)，對(duì)電池充放電功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，調(diào)整從電網(wǎng)取電的功率，達(dá)到建筑供電系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)化。
不同的控制方法決定了不同的電網(wǎng)取電功率及蓄電池容量。較大的電池容量意味著較大的移峰填谷能力，但也意味著較高的經(jīng)濟(jì)成本；而較小的電池容量則會(huì)限制電網(wǎng)取電功率的調(diào)節(jié)范圍。
下面將給出電池容量的通用計(jì)算方法。
蓄電池選型計(jì)算案例
以某小型辦公建筑為例，該建筑位于深圳市，共4層，占地面積325 m2，總建筑面積658 m2。1層用作展廳，2、3層用于辦公，4層用于科研實(shí)驗(yàn)。對(duì)該建筑進(jìn)行直流配電以及蓄能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2所示。
下面將依次介紹各個(gè)組成部分的電力參數(shù)的確定方法。
▌ 2. 1 空調(diào)負(fù)荷
用DeST軟件進(jìn)行全年空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬計(jì)算。模擬得到的空調(diào)冷負(fù)荷如圖3所示。其中，全天平均冷負(fù)荷最大為3. 95 kW。
該建筑使用的是光伏多聯(lián)機(jī)空調(diào)器，其額定制冷量33. 5 kW，耗電量9 kW，額定工況下制冷系數(shù)COP = 3. 7。在本算例中，不考慮不同工況下空調(diào)的制冷系數(shù)變化，取COP 恒為3. 7簡(jiǎn)化計(jì)算，將逐時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷除以COP，即可得到空調(diào)器的逐時(shí)耗電功率。
▌ 2. 2 光伏發(fā)電
采用DeST氣象參數(shù)中的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算逐日光伏發(fā)電功率，光伏板面積S= 80 m2，光電轉(zhuǎn)換效率η1 = 17. 5 %，電池板輸出效率η2 = 90 %。
逐時(shí)光伏板發(fā)電功率為Q s= S η1η2P rad。其中，P rad為光伏板法向的逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度（單位：W / m2）。計(jì)算得到全年逐時(shí)發(fā)電功率如圖4所示。
每日累計(jì)的總發(fā)電量如圖5所示（DeST氣象參數(shù)為歷年典型氣象參數(shù)，考慮了陰天等氣象的隨機(jī)變化，故存在日累計(jì)發(fā)電量突降的情況）。日累計(jì)發(fā)電量最大為92. 5 kWh。
▌ 2. 3 充電樁負(fù)荷
充電樁負(fù)荷以某型號(hào)電動(dòng)汽車為例進(jìn)行計(jì)算，其慢充模式下充電時(shí)間為8 h，充電量為23 kWh。根據(jù)電動(dòng)汽車的使用情況，設(shè)定充電時(shí)間為夜間0 ~ 8時(shí)，電動(dòng)汽車充電速率隨蓄電池的荷電量上升而下降，故充電速率設(shè)定如圖6所示。
▌ 2. 4 照明、設(shè)備負(fù)荷
為簡(jiǎn)化計(jì)算，照明負(fù)荷和設(shè)備負(fù)荷按照案例建筑中安裝的照明燈具和插座取電設(shè)備的實(shí)際功率取值，取照明負(fù)荷恒為1. 5 kW，設(shè)備負(fù)荷恒為3 kW。且照明、設(shè)備作息時(shí)間與人員作息時(shí)間相同（早上8：00開(kāi)啟，下午5：00關(guān)閉）。
本文介紹了建筑直流配電與蓄電式系統(tǒng)中蓄電容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并以某小型辦公建筑為例，通過(guò)DeST軟件模擬，計(jì)算建筑全年逐時(shí)空調(diào)用電功率、光伏發(fā)電功率，并采用“恒功率取電模式”和“變功率取電模式”兩種控制策略，分別對(duì)有無(wú)充電樁兩種工況下的蓄電池容量進(jìn)行了優(yōu)化分析，演示了如何使用所提出的蓄電池容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)確定最優(yōu)的蓄電池容量。
蓄電池容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
建筑直流供電系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于蓄電池容量的設(shè)計(jì)，它決定了從電網(wǎng)恒功率用電的移峰填谷目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)。根據(jù)電力供給與需求的平衡關(guān)系，可以得到蓄電系統(tǒng)實(shí)時(shí)充電功率P bat：
（1）
其中P grid為從電網(wǎng)取電功率，P load為建筑的用電負(fù)荷功率，P gen為光伏板等建筑內(nèi)部電源的發(fā)電功率，P load與P gen二者之差為建筑物的凈用電負(fù)荷：P= P load - P gen。P bat為正值時(shí)，表示需要向蓄電池蓄電；為負(fù)值時(shí)，表示需要蓄電池放電。
對(duì)式（1）進(jìn)行一天24 h的逐時(shí)積分，有：
（2）
即可得到直流供電系統(tǒng)在一天24 h內(nèi)各個(gè)時(shí)刻T的蓄電池荷電量的瞬時(shí)值，荷電量瞬時(shí)值相鄰波峰波谷差的最大值，即為當(dāng)日所需的蓄電池容量。
從式（1）、式（2）中可以看出：蓄電池的容量與電網(wǎng)取電功率P grid和建筑凈用電負(fù)荷P 有關(guān)，下面具體討論這兩個(gè)參數(shù)的確定方法。
▌ 1. 1 建筑用電負(fù)荷的計(jì)算
對(duì)于既有建筑的電力負(fù)荷，可以通過(guò)實(shí)地測(cè)量、日志記錄等方式直接獲得，對(duì)于新建建筑可以通過(guò)模擬計(jì)算得到。
本文采用DeST軟件進(jìn)行建筑建模，模擬計(jì)算空調(diào)負(fù)荷，并由軟件的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算光伏發(fā)電量。DeST是建筑環(huán)境及空調(diào)系統(tǒng)的模擬分析軟件平臺(tái)，用于建筑環(huán)境的模擬預(yù)測(cè)、性能評(píng)估、系統(tǒng)的性能優(yōu)化 。這種基于軟件模擬的方法與實(shí)測(cè)值可能存在一定的偏差，但對(duì)于新建建筑在設(shè)計(jì)階段的設(shè)備選型定容，是非常有效的手段。
▌1. 2 直流供電及蓄電系統(tǒng)控制策略
建筑直流供電系統(tǒng)主要通過(guò)調(diào)節(jié)蓄電池充放電功率，滿足建筑的用電負(fù)荷，達(dá)到電網(wǎng)實(shí)際取電功率 P grid恒定或者滿足需求響應(yīng)的目的。建筑直流供電系統(tǒng)控制策略不同，取電功率控制目標(biāo)也不相同。主要的幾種控制策略包括：
a. 恒功率取電策略：通過(guò)控制電池充放電功率，建筑將以恒定功率或接近恒定功率的方式從電網(wǎng)取電。
b. 基于需求響應(yīng)的策略：需求響應(yīng)是指為了提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率、安全性和能源資源利用水平，通過(guò)各種激勵(lì)手段促使電力用戶改變用電行為，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)移［8］。基于需求響應(yīng)的策略是指根據(jù)電網(wǎng)的需求響應(yīng)規(guī)定，確定不同的分時(shí)取電功率。
c. 基于實(shí)時(shí)電價(jià)的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化策略：市政電網(wǎng)會(huì)根據(jù)用電負(fù)荷狀態(tài)，制定分時(shí)電價(jià)。建筑直流供電系統(tǒng)可根據(jù)市政電網(wǎng)的價(jià)格信號(hào)，對(duì)電池充放電功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，調(diào)整從電網(wǎng)取電的功率，達(dá)到建筑供電系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)化。
不同的控制方法決定了不同的電網(wǎng)取電功率及蓄電池容量。較大的電池容量意味著較大的移峰填谷能力，但也意味著較高的經(jīng)濟(jì)成本；而較小的電池容量則會(huì)限制電網(wǎng)取電功率的調(diào)節(jié)范圍。
下面將給出電池容量的通用計(jì)算方法。
蓄電池選型計(jì)算案例
以某小型辦公建筑為例，該建筑位于深圳市，共4層，占地面積325 m2，總建筑面積658 m2。1層用作展廳，2、3層用于辦公，4層用于科研實(shí)驗(yàn)。對(duì)該建筑進(jìn)行直流配電以及蓄能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2所示。
▌ 2. 1 空調(diào)負(fù)荷
用DeST軟件進(jìn)行全年空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬計(jì)算。模擬得到的空調(diào)冷負(fù)荷如圖3所示。其中，全天平均冷負(fù)荷最大為3. 95 kW。
該建筑使用的是光伏多聯(lián)機(jī)空調(diào)器，其額定制冷量33. 5 kW，耗電量9 kW，額定工況下制冷系數(shù)COP = 3. 7。在本算例中，不考慮不同工況下空調(diào)的制冷系數(shù)變化，取COP 恒為3. 7簡(jiǎn)化計(jì)算，將逐時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷除以COP，即可得到空調(diào)器的逐時(shí)耗電功率。
采用DeST氣象參數(shù)中的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算逐日光伏發(fā)電功率，光伏板面積S= 80 m2，光電轉(zhuǎn)換效率η1 = 17. 5 %，電池板輸出效率η2 = 90 %。
逐時(shí)光伏板發(fā)電功率為Q s= S η1η2P rad。其中，P rad為光伏板法向的逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度（單位：W / m2）。計(jì)算得到全年逐時(shí)發(fā)電功率如圖4所示。
每日累計(jì)的總發(fā)電量如圖5所示（DeST氣象參數(shù)為歷年典型氣象參數(shù)，考慮了陰天等氣象的隨機(jī)變化，故存在日累計(jì)發(fā)電量突降的情況）。日累計(jì)發(fā)電量最大為92. 5 kWh。
充電樁負(fù)荷以某型號(hào)電動(dòng)汽車為例進(jìn)行計(jì)算，其慢充模式下充電時(shí)間為8 h，充電量為23 kWh。根據(jù)電動(dòng)汽車的使用情況，設(shè)定充電時(shí)間為夜間0 ~ 8時(shí)，電動(dòng)汽車充電速率隨蓄電池的荷電量上升而下降，故充電速率設(shè)定如圖6所示。
為簡(jiǎn)化計(jì)算，照明負(fù)荷和設(shè)備負(fù)荷按照案例建筑中安裝的照明燈具和插座取電設(shè)備的實(shí)際功率取值，取照明負(fù)荷恒為1. 5 kW，設(shè)備負(fù)荷恒為3 kW。且照明、設(shè)備作息時(shí)間與人員作息時(shí)間相同（早上8：00開(kāi)啟，下午5：00關(guān)閉）。
本文介紹了建筑直流配電與蓄電式系統(tǒng)中蓄電容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并以某小型辦公建筑為例，通過(guò)DeST軟件模擬，計(jì)算建筑全年逐時(shí)空調(diào)用電功率、光伏發(fā)電功率，并采用“恒功率取電模式”和“變功率取電模式”兩種控制策略，分別對(duì)有無(wú)充電樁兩種工況下的蓄電池容量進(jìn)行了優(yōu)化分析，演示了如何使用所提出的蓄電池容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)確定最優(yōu)的蓄電池容量。
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