摘要：隨著我國電力體制改革的深化，分布式清潔能源的建設正越來越迅速。改革要求全面放開用戶側分布式電源市場，放開用戶側分布式電源建設。推廣建設家庭智能微電網，是當前分布式電源建設的發展趨勢。文章從家庭用電負荷特征分析著手，基于當前我國家庭分布式電源的建設，提出了當前家庭微電網的構建方式，包括電源建設、微電網結構、儲能方案、電網接入模式。通過分析比較，提出了一種優化的家庭智能微電網構建方案。

(作者：上海國孚電力設計工程有限公司)

0.引言

隨著我國電力體制改革的深化，中發〔2015〕9號文“中共中央國務院關于進一步深化電力體制改革的若干意見”要求全面放開用戶側分布式電源市場，放開用戶側分布式電源建設，支持企業、機構、社區和家庭根據各自條件，因地制宜投資建設太陽能、風能等各類分布式電源。分布式清潔能源的建設正越來越迅速。推廣建設家庭智能微電網，是當前分布式電源建設的發展趨勢。在美國，已面臨“電網脫網危機”，電網已經不能阻止光伏+儲能用戶對它們的削弱。受成本下降和政府鼓勵的雙重影響，越來越多的美國家庭和公司開始自己生產電能，這一趨勢正在威脅主導了美國和世界130年的集中化電力生產模式。公用事業公司，比如電網，越發對商業環境的變化感到不適，其中真正的原因在于“負荷脫網”——而這在未來卻是一種必然[1]。

家庭用電負荷脫網，意味著家庭可以自己構建電網，即建設微電網。微電網構建除了本身的用電負荷不需要搭建選擇外，其他需要考慮的有：電源、儲能設備的建設，以及網絡方案的選擇、微電網與主電網的接入方案等。

1.家庭用電負荷分類及統計

根據家用電器的特性和用途大體分為：照明類、電熱類、電動類、信息類、充電類。

1.1家庭用電負荷的分類

照明類—日光燈管、LED燈、節能燈等，現在白熾燈家用得越來越少。

電熱類—目前使用率較高的普通家電有：電淋浴器、空調器、電燙斗、電炒鍋、電飯鍋、電烤箱、電取暖器等，微波爐、消毒碗柜，也可歸為這類。

電動類—目前使用率較高的普通家電有：電冰箱、空調器、洗衣機、風扇、吸塵器、抽油煙機等。

信息類—主要為電子產品，有電視機、音響、計算機、家庭影院等。

充電設備—電瓶助力車、各類便攜式設備的充電(計算機、手機、PAD、充電寶)等，電動汽車目前家用還不是很普遍，一般歸為小區用電負荷。

1.2家庭用電負荷統計

住宅用電的對象為廣大普通群眾，家用電器有很大的隨意性、突發性、波動性。隨著近年來國家經濟高速增長，目前用電設備增加，因此，正確確定用電的負荷尤為重要。過去常按2kW/戶計算的單位容量來確定每戶負荷的方法，已不適應家庭用電負荷日益增長的現狀。一般家庭用電負荷統計參見下表1-1。

表1-1家庭用電負荷統計

家庭用電高峰一般出現在早晚，白天用電高峰時段不固定，節假日用電比平常用電要高些。白天非節假日用電負荷主要是電冰箱及各類待機負荷。用電最大的家用電器是空調、電取暖器。以8月份夏季用電負荷為例，對中等收入普通家庭可能同時使用的家電情況，統計見下表1-2。

采用需要系數法求計算負荷，將表1-2中的總計值作為半小時最大負荷P30，則需要系數Kc=P30/Pe=0.46,Pe按表1-1總計范圍平均值選13kW取，計算負荷Pjs=Kc*Pe=6kW。

1.1用電負荷供電要求

從供電中斷對對家庭生活造成的影響來看，可將負荷按重要級別進行分類。最重要的負荷是照明類，其次是信息類。電動類中空調設備中斷供電，將影響家庭的正常生活，其他設備重要程度可歸為最低，充電設備類中與信息相關的充電設備，其重要程度應為最高。電動助力車的充電與電加熱設備應歸為重要程度最低的用電負荷。

表1-2家庭同時用電負荷統計

 

2.家庭分布式電源方案

能夠成為家庭分布式電源的能源，主要以屋頂太陽能光伏發電為主，一般只能選擇一種能源作為家庭供電電源。

對大型家簇，還可利用多種分布式能源。如水力資源較好、處于有利地理位置優勢的，也可以添設水力發電。對依山傍水的家庭別墅，能夠建設屋頂太陽光伏發電時，如果地理位置獨特，還可設想發展抽水蓄能，實現白天晚上循環供電。對風力資源豐富的近海家庭別墅，這些地區還可以增設風力發電。經常鍛煉養身的家庭，還可利用體育鍛煉的機會，將鍛煉產生的機械能轉化為電能，可短時為家庭提供另一電能。

另外，柴油發電機還可作為應急發電電源。

從上節可知，對高等家庭，需配置6kW的電源，對中等家庭，建議配與80%的最高負荷匹配即可，即4.8kW的發電電量。如只提供保證重要負荷供電的電量，即只滿足照明類、信息類供電負荷要求，同時又能保證基本生活質量，盡量可滿足空調負荷的供電，所需的發電電量由表1-2統計宜為4kW。

3.家庭分布式電源的儲能方案

家庭分布式電源儲能方案的選擇，與供電電源的電量、以及供電持續的時間有關，也與家庭負荷的構成、用電時段的分布有關。

顯然，對以屋頂太陽能光伏發電為主的分布式家庭能源，供電的持續時間與當地的氣象條件有關，即安裝地點的最大連續陰雨天數有關。供電電量與所選的太陽能光伏板種類、光伏板面積以及太陽光伏板的傾角有關。

家庭負荷的構成，在家庭裝飾完成、家用電器配置完成后，在一段時期內，基本維持不變。但這些家用電器的用電時段，卻具有間歇性、突發性，而且可人為進行主動控制以最恰當的時段投入運行。

以鉛酸蓄電池作為儲能方案的蓄電池容量選擇公式如下式(3-1)[2]：

蓄電池容量=(自給天數*日平均負載)/(最大允許放電深度*溫度修正因子)(式3-1)

自給天數為家庭用電系統在沒有任何外來能源的情況下，負載仍能正常工作的天數。與兩個因素有關：負載對電源的要求;安裝地點最大連續陰雨天數。一般情況下，將安裝地點的最大連續陰雨天數作為系統設計的自給天數，通常取7～14天。日平均負載(Ah)等于需供電各負載的電流與供電時間的乘積再求和。最大允許放電深度、溫度修正因子值與所需用的蓄電池相關，由蓄電池生產商參照當地的24小時平均最低溫度提供。

4.家庭電網交直流類型選擇

要構建家庭微電網，需要選擇家庭電網交直流類型。因為光伏發電是直流電，如果用直流電供電，可減少交直流電變換環節。如需向交流用電設備供電，則需進行DC/AC變換。

家庭大部分用電設備需要交流供電，尤其對占主要用電消耗量的電動類型的用電設備而言，幾乎都是交流供電，如電冰箱、空調、吸塵器、抽油煙機等。這些用電設備均需要調速，盡管近來提倡采用節能變頻空調，且調速手段好且節能經濟的仍然是直流電機，如電動助力車。但是，交流供電已然成為標準，由于長久以來家電行業的發展，交流供電已被大眾普遍接受。關于交流供電，國際上也存有區別，如美國、日本，采用110V、60Hz交流供電，而大多數國家卻采用220V、50Hz交流供電。

在用電負荷中，對照明、電熱類用電設備，既可以用交流供電，也可用直流供電。對信息類用電設備，最好采用直流供電，因為這類設備均為電子設備，現階段的供電需要將交流電轉化為直流電。因此，便攜式電腦、PAD、手機，均需要帶一個變換器，在飛機上或是有些賓館里，越來越多地為旅客提供USB口直流直接供電。家庭影院類電子設備，其交直流變換器一般裝設在設備內，與設備成為一體。

對充電設備負荷，只能用直流進行充電，如采用交流供電，則還需要進行AC/DC再轉換。

家用儲能設備，一般為鉛酸蓄電池，充放電均為直流。

綜上分析，在直流供電還沒成為家電行業通用標準規范前，仍應構建以交流為主要型式的電網，在我國采用220V、50Hz。但是，也可以根據負荷類型，單獨分出1～2個局部小型直流供電網絡，可由光伏陣列引出;也可從交流供電端，

先經AC/DC變換，再經不同的DC/DC變換，引出兩個不同電壓的局部直流母線。

對儲能設備，充電端接入光伏陣列輸出端，放電端分兩類，一類以直流接入兩個局部的小型直流母線，一類以交流通過DC/AC逆變，供交流用電設備。為簡化型式，以直供交流主要用電負荷為主，放電時經DC/AC變換，僅輸出交流。

在家庭微網的構建中，除交直流類型選擇外，現階段主要用電負荷仍為交流電，因此還不可避免地要采用逆變器，以適應多數電動類型的家庭用電設備。逆變器的選擇，有幾項重要指標，包括額定輸出電壓、額定頻率、額定輸出容量及過載能力、效率、功率因數等，電能質量還要滿足國家標準要求。對6kWp的光伏容量，應選擇1臺容量為6kW，輸入電壓為光伏最大陣列開路電壓，功率因數大于0.99，效率在96%以上的逆變器。

5.家庭微電網與主電網的接入方案

按主要運行方式分類，家庭微電網一般分為并網型與離網型。對離網型家庭微網，家庭用電負荷只有在不與分布式電源連接時，才能接入主電網;當家庭用電負荷由家庭分布式電源供電時，與主電網脫離。并網型家庭微網基本上長期與主電網相連，因此可不須增加家庭儲能設備，當家庭分布式電源電量大于當時的家庭用電負荷時，家庭向電網售電;當不能滿足家庭用電要求時，向電網買電。

并網型家庭微網的好處是不須增加儲能設備，且用電可靠性高、穩定性好，由主電網根據家庭負荷的波動實時進行調節，但接入主電網流程復雜，需要獲得當地供電部門的準許，且須經其驗收合格、達成供售電協議后才能并網。

離網型家庭微網的好處是自主性強，建設周期短，不受供電部門牽制，建成即可投入運行，但是需要增加儲能設備，且家庭微網的穩定性差，需要采取較強的控制調節手段，受家庭負荷波動影響大。

基于我國電網建設的發展，無論是控制調節的機理，還是設備制造軟硬件方面，都已解決家庭微網穩定控制調節相關問題，因此為了更好地發揮家庭分布式能源的效益，我國現階段宜采用離網型接入方案。也就是說，像美國分布式能源的發展建設一樣，家庭負荷脫網運行呈現一種發展趨勢。

6.結語

綜上分析，基于家庭負荷的構成及用電特點，根據分布式能源的建設及投入運行的便利性，以及用電要求，經過方案優選，可以構成如下圖6-1所示的智能家庭微電網方案。

其中，家庭用電負荷，為被動型，構建家庭微電網時不需要選擇，但可通過智能控制技術優化，主動選擇其投運的時點。對分布式電源，可選擇功率為6kW峰瓦的光伏發電。光伏電源的逆變器的選擇如前所述，容量與光伏峰值功率相同，輸入電壓(直流側)為光伏陣列最大開路電壓，輸出電壓(交流側)為220V。

對儲能設備的蓄電池容量按(式3-1)選擇。對儲能設備的變換器宜選擇一個AC/DC變換器及一個DC/DC變換器。蓄電池電壓可選110V或48V，如選48V則只用一個AC/DC變換器就可以了。可按自給時段內的最大交流負載來選擇AC/DC變換器容量。

網絡方案建議參照圖6-1所示，為交直流混聯網絡，直流設48V、12V、5V三個電壓等級系統。圖中220V變48V的AC/DC變換器容量選擇可參照直流最大負載，其它DC/DC可參照負載容量、輸入輸出電壓進行選擇。

圖6-1中的電壓頻率(U/f)調節控制器，按電力系統有功、無功平衡原則，通過跟蹤負荷投切，調節光伏電源DC/AC變換器的交流側電壓，采用電壓外環、電流內環的雙環控制方式來保證輸出電壓的穩定[3]。

圖6-1家庭智能微電網系統網絡圖

參考文獻：

0.CohnReznick，HOMEREnergy《負荷脫網的經濟性分析》，落基山研究所(RMI，RockyMountainInstitute)，2015.04

李瑞生，周逢權，李燕斌《地面光伏發電系統及應用》3.3.2節P43，中國電力出版社，2011.5

1.李富生，李瑞生，周逢權《微電網技術及工程應用》2.4.2節P22，中國電力出版社，2012.7