Navorsing oor Huishoudelike Energie-effektiwiteitsbestuurstrategie Gebaseer op Gedistribueerde PV-aanlegte en ESS

1 ZigBee - gebaseerde slim huisstelsel

Met die voortdurende ontwikkeling van rekenaartechnologie en inligtingsbeheerstechnologie het intelligente huise vinnig geëvolueer. Slimme huise behou nie net tradisionele woonfunksies nie, maar maak dit ook moontlik vir gebruikers om huishoudelike toestelle gemaklik te bestuur. Selfs buite die huis kan gebruikers die interne status op afstand moniteer, wat die beheer van energie-effektheid in die huis bevorder en die lewenskwaliteit beduidend verbeter.

Hierdie artikel ontwerp 'n ZigBee-gebaseerde slim huisstelsel, wat uit drie komponente bestaan: huisnetwerk, huisserser, en mobiele eindpunt. Die stelsel is eenvoudig, doeltreffend en hoog skaalbaar, met sy struktuur getoon in Figuur 1.

1 ZigBee - gebaseerde slim huisargitektuur
1.1 Huisnetwerk

As die kernfundament verbind die huisnetwerk kontroleerbare lasse as nodusse vir interne dataoorsending en multi-energiebestuur. Die keuse van draadlose (ZigBee) oor draadoplossings verhoog fleksibiliteit, betroubaarheid en skaalbaarheid. ZigBee, gebaseer op IEEE 802.15.4, bied lae koste, krag en kompleksiteit met hoë veiligheid. Sy betaalbare chips verminder die stelsel se hardewarekoste. Die netwerk sluit in:

• Koördineerder: Bestuur die ZigBee-netwerk (CC2530-gebaseerd, IAR-gesame), wat tipiese huise dek via direkte-verbonden topologie.

• Eindnodusse: Geïntegreer met meetapparate/relais (as slim sokkels), wat data versamel en bevelvoering uitvoer vir “beheer + monitering” sluiting.

1.2 Huisserser

Die serser funksioneer as die stelsel se “data-beheerkern”, wat hanteer:

• Data-hub: Verwissel inligting tussen ZigBee (via seriele poort) en mobiele eindpunte (via Sokket).

• Operasie-monitering: Volg lasstatus, beheer skakele, en stoor elektrisite-data.

• Energie-effektheid hersien: Analiseer las/fotovoltaïese data om optimering van plannings te sluit, die energiebestuurslus te sluit.

1.3 Mobiele eindpunt

Android-gebaseerd (Eclipse + Java), maak die eindpunt moontlik:

• Statussigbaarheid: Real-time vertoning van serser-geduwde elektrisite-inligting.

• Afstandsbediening: Stuur bevelvoering om lasse ondirek te beheer.

• Vlugtige plannings: Stel aangepaste lasplannings in (bv. vir tydskoerprys).

2 Huis-energie-effektheid-bestuurontwerp
2.1 Stelselargitektuur & Logika

Deur “slim huis + PV + energie-opberging” te integreer, sluit die stelsel effektheidsstrategieë in die serser, wat 'n “versamel → model → optimeer” lus vorm:

• Data-laag: Kombineer las- en PV-data.

• Model-laag: Balanseer PV-gebruik, opberging en las via optimale skemas.

• Beheerlaag: Koördineer PV/opbergoperasies en lasplannings vir “kosteffektheid” doelwitte (struktuur in Figuur 2).

2.2 Kernkomponente & Samewerking

Kernkomponente (PV-rekke, batterye, omvormers, serser, lasse) werk as:

• PV-rekke: MPPT-aktiveer via omvormers, wat real-time uitset aan die serser oordra.

• Energieopberging: Aangesluit by die rooster, laai tydens PV-oorskot en ontlai tydens tekort (gemete vir roosterinteraksie).

• Serser: Verbind omvormers/sokkels, pas toestelle aan volgens effektheidreëls om energiestroom te optimaliseer.

2.3 Lasindeling & Plannings

Lasse verdeel in drie tipes vir tydskoerprys-aangedrewe plannings:

• Kritiese lasse (bv. beligting): Vaste-tyd, nie-aanpasbaar nie.

• Aanpasbare lasse (bv. klank): Variabele vraag, krag-aanpasbaar.

• Verskuifbare lasse (bv. wasmasjiene): Tyd-vlugtig, kern vir effektheid.

Die serser beheer verskuifbare lasse deur slim sokkels, skerpe pieke/valle vul om koste te verminder en die rooster te stabiliseer.

3 Wiskundige model en beheerstrategie vir huis-energie-effektheidbestuur
3.1 Wiskundige model vir huis-energie-effektheidbestuur

Om presiese huis-energie-effektheidbestuur te bereik, moet 'n wiskundige model vir totale elektrisitekoste opgestel word. Hierdie artikel gebruik 'n “dageliks” beheersiklus, wat 24 uur in n gelyke tydintervalle verdeel. Deur kontinue probleme te diskretiseer (wanneer n genoegsaam groot is, benader elke interval 'n “mikro-element”, en veranderlikes kan binne die interval konstant aangeneem word). In die t-de interval, gebaseer op die dinamiese balans van “huisklas krag, fotovoltaïese generasiekrag, batterye oplaai/ontlaai krag, en roosterinteraksiekrag,” word die stelsel kragbalansvergelyking afgelei as:

Binne die t-de tydinterval, word die kragveranderlikes gedefinieer as volg:

• P_G^t: Roosterinteraksiekrag (positief vir kragabsorpsie, negatief vir kraginspeis);

• P_A^t: Totale huisklas krag;

• P_b^t: Batterye oplaai/ontlaai krag (positief vir ontlading, negatief vir oplaai);

• P_PV^t: Fotovoltaïese (PV) uitsetkrag (beïnvloed deur sonnestraling, temperatuur, lugvochtigheid, ens., en voorspelbaar deur PV-kragvoorspellingsmodelle).

Die huisklas PV-stelsel funksioneer onder die “self-verbruik + oorskotkrag-rooster-inspeis” model, waar oorskotkrag inspeisinkomste genereer en PV-generasie kwalifiseer vir subsidies. Met inagneming van tydskoerpryse (hoër piekpryse, laer dalprikse), word die totale elektrisitekoste bereken as:Totale Koste=Rooster-Aankoopkoste−Rooster-Inspeis-Inkomste−PV-Subsidies

Vir 'n dagelike siklus gediskreteer in n intervalle, kan die totale kostemodel verder opgedeel word in die som van intervalspesifieke koste, presies aanpasbaar aan dinamiese prysensineries.

In die formule: C verteenwoordig die totale daaglike elektrisitekoste van die huishouding; f_PV is die eenheidprys van die fotovoltaïese kraggenerasie-subsidie; 24/n is die duur van een tydinterval.
Die uitdrukking vir f_t in Formule (2) is

In die formule: f_C^t is die elektrisiteprys vir die gebruiker tydens die t-de tydperk, wat verdeel word in piektyd elektrisiteprys en daltyd elektrisiteprys volgens verskillende tydperke; f_R is die elektrisiteprys vir oorskotkrag ingespeis na die rooster. Die waardes van f_C^t, f_R en f_PV op enige oomblik van die dag is al bekend. Die totale krag P_A^t van die huisklas laste is gelyk aan die som van die krag van alle verskuifbare laste en ander laste tydens die t-de tydperk.

In die formule: P_L,i is die operasiekrag van die i-de verskuifbare las; T_L,i is die opstarttyd van die i-de verskuifbare las; Δt_i is die operasieduur van die i-de verskuifbare las; [t_i^s, t_i^e] is die bereik van die opstarttyd van die i-de verskuifbare las. P_L,i, Δt_i, t_i^s en t_i^e is al bekende waardes.

Die elektrisitekrag P_else,j^t van ander laste is bekend, terwyl die elektrisitekrag van verskuifbare laste verander volgens verskillende opstarttye, en T_L,i is 'n onbepaalde waarde. Wanneer T_L,i verskil, verander die totale krag P_A^t van die huisklas laste dienovereenkomstig, en dus die totale huishoudelike elektrisitekoste C.

3.2 Beheerstrategie

Die kerndoel van huis-energie-effektheidbestuur is die maksimalisering van ekonomiese voordele, spesifiek vertaal in die konstruksie van 'n doelwitfunksie vir “die minimisering van die totale huishoudelike elektrisitekoste C”.

Gebaseer op die verskuifbare lasmodel en gekombineer met die tydskoerprys-meganisme, kan die opstarttye T_L,i van verskuifbare laste aangepas word om die totale huishoudelike las kragkromme dinamies te optimaliseer, en die totale koste vanuit die perspektief van elektrisiteverbruikstyding te verminder.

Gekoördineerde beheerlogika vir PV en energieopberging

Vir fotovoltaïese (PV) kraggenerasie en energieopbergbatterye, word beheerstrategieë vir verskillende tydperke opgestel:

• Piekperiodes: Gee voorrang aan volledige verbruik van PV-kraggenerasie. As PV-uitset > las krag, word oorskotkrag ingespeis na die rooster vir inkomste. As PV-uitset < las krag, word die batterye eerste vir kragverskaffing gebruik (wanneer die batterye laastatus > minimumwaarde). Wanneer die batterye leeg is, word die onvoldoende deel deur die rooster aangevul.

• Dalperiodes: Die batterye word met die maksimum oplaailasterg vir energieopberging gelaa. Al die las elektrisiteit word deur die rooster verskaf, wat laeprys dalperiode elektrisiteit gebruik om &ldquo;die valle te vul&rdquo; en energie vir piekperiodes op te berg.

Batteryebeperkings

Dit is nodig om gelyktydig die oplaai/ontlaai kraglimiete en kapasiteitsbeperkings van die batterye te oorweeg om sy oplaai- en ontlaaigedrag te beperk (spesifieke beperkings moet met formules/modelle aangevul word, nie volledig in die oorspronklike teks aangebied nie), om toestelveiligheid en stelselstabiliteit te verseker.

In Formule (6): P_b,max is die maksimum oplaai/ontlaai krag van die batterye; in Formule (7), SOC^t is die laastatus (SOC) van die batterye tydens die t-de tydperk; SOC_min is die minimumwaarde van die batterye se SOC; SOC_max is die maksimumwaarde van die batterye se SOC.

Volgens die beheerstrategie, word die oplaai/ontlaai krag van die energieopbergbatterye geoptimaliseer en beheer. Tydens die piekperiode t ∈ [t₁, t₂], waar t₁ die begin tyd van die elektrisitepiekperiode is en t₂ die einde tyd van die elektrisitepiekperiode, word die ontlaai krag van die batterye ingestel as

Tydens die dalperiode t ∈ [1, t₁], word die ontlaai krag van die opbergbatterye ingestel as

Dit is nodig om die laastatus (SOC) van die opbergbatterye te bereken. Die verhouding tussen die laastatus tydens die oplaai- en ontlaaiproses van die opbergbatterye en die oplaai/ontlaai krag is as volg:

Formule (10) beskryf die verhouding tussen die opbergbatterye se SOC en oplaai krag tydens oplaai (hier P_b^t ＜ 0; Formule (11) beskryf dat tydens ontlaai (hier P_b^t ＞ 0. SOC^{t + 1} is die SOC in die t + 1-de periode; σ (self-ontlaai koers, naby 0% vir klein tydintervalle), η_ch (oplaai doeltreffendheid), η_dis (ontlaai doeltreffendheid), en E_b,max (maksimum kapasiteit) is batterieparameters. In opsomming, huis-energie-effektheidsoptimalisering streef daarna om die totale elektrisitekoste te minimiseer deur die starttye van verskuifbare laste en energieopberg oplaai/ontlaai krag op elke oomblik te bepaal, gestel as:

Doelwitfunksie

Beperkingsvoorwaardes

4 Gevallestudie

Om die effektiwiteit van die voorgestelde huis-energie-effektheidbestuursmetode te verifieer, word simulasies en analises uitgevoer met die huiselektriese toerusting van 'n tipiese huishouding in Shanghai. Die huis-energie-effektheidbestuurstelsel bestaan uit fotovoltaïese panele, batterye, 'n omvormer, 'n huisserser, en huishoudelike laste. Die stelselkonfigurasieparameters word in Tabel 1 getoon.

Shanghai implementeer tydskoerpryse vir residensiële lewens elektrisiteit, met piekure van 6:00 tot 22:00 teen 0,617 CNY/kWh, en dalure van 22:00 tot 6:00 die volgende dag teen 0,307 CNY/kWh. Die inspeisprys vir oorskot PV-elektrisiteit is 0,4048 CNY/kWh. Shanghai se fotovoltaïese kraggenerasie-subsidies sluit in 'n nasionale subsidie van 0,42 CNY/kWh en 'n plaaslike subsidie van 0,4 CNY/kWh, totaal 0,82 CNY/kWh.

Veronderstel dat die maksimum oplaai-ontlaai krag van die batterye 1,5 kW is; die minimum laastatus (SOC) is ingestel op 0,2, en die maksimum is 0,9. Die aanvanklike SOC (SOC¹) van die batterye is ingestel op 0,2; die oplaai-ontlaai doeltreffendheid van die batterye is 0,9.

Stel n = 144, wat die 24-uur dag eweredig verdeel in 144 tydintervalle, met elke interval 10 minute. Figuur 3 wys die kraggenerasiekromme van die PV-stelsel op 'n sekere dag. Die operasieparameters van huishoudelike laste word in Tabel 2 getoon, waar die wasmasjiene en waterverwarmer verskuifbare laste is.

Gebaseer op die bostaande data in Tabel 2, word 'n simulasie-onderstudie oor die optimale bestuur van huishoudelike laste met Matlab uitgevoer. Volgens die huis-energie-effektheidbestuuralgoritme, word die optimale huishoudelike elektrisite