Изследване на стратегия за управление на енергийната ефективност в домакинствата, базирано на разпределени PV централни и ESS

1 Система умного дома, основанная на ZigBee

С непрекъснатото развитие на компютърните технологии и технологиите за контрол на информацията, интелигентните домове се развиваат бързо. Умните домове не само запазват традиционните резиденчни функции, но и позволяват на потребителите да управляват домашните устройства удобно. Даже извън дома потребителите могат да мониторират отдалечено вътрешното състояние, което облекчава управлението на енергийната ефективност в дома и значително подобрява качеството на живот.

Тази статия проектира система за умен дом, основана на ZigBee, която се състои от три компонента: домашна мрежа, домашен сървър и мобилен терминал. Системата е проста, ефективна и с висока разширяемост, а нейната структура е показана на Фигура 1.

1 Архитектура на умния дом, основан на ZigBee
1.1 Домашна мрежа

Като основен фундамент, домашната мрежа свързва контролируеми товари като възли за вътрешна передача на данни и многократно управление на енергията. Изборът на безжични (ZigBee) решения над жилични повишава гъвкавостта, надеждността и разширяемостта. ZigBee, построен върху IEEE 802.15.4, предлага ниска цена, мощност и сложност при висока сигурност. Неговите достъпни чипове намаляват цената на хардуера на системата. Мрежата включва:

• Координатор: Управява ZigBee мрежата (базирана на CC2530, компилирана с IAR), покрива типични домове чрез директно свързан топологичен модел.

• Възли-терминали: Интегрирани с метричен/реле (като умни розетки), събират данни и изпълняват команди за „управление + мониторинг“.

1.2 Домашен сървър

Сървърът действа като „датско-управляващо ядро“ на системата, обработва:

• Хаб за данни: Разменя информация между ZigBee (чрез последователен порт) и мобилни терминали (чрез Socket).

• Мониторинг на операции: Отслежва състоянието на товарите, контролира ключовете и съхранява данни за електроенергия.

• Енергийно ефективно ядро: Анализира данни за товарите/фотоелементи, за да оптимизира планирането и затваря цикъла на управлението на енергията.

1.3 Мобилен терминал

Основан на Android (Eclipse + Java), терминалът позволява:

• Видимост на състоянието: Реално време показва информация за електроенергията, подадена от сървъра.

• Отдалечен контрол: Изпраща команди, за да контролира товарите косвено.

• Гъвкаво планиране: Задава персонализирани времена за товарите (например, за тарифи според час).

2 Проект за управление на енергийната ефективност в дома
2.1 Архитектура и логика на системата

Интегрирайки „умен дом + фотоелементи + съхранение на енергия“, системата вкарва стратегии за ефективност в сървъра, формирайки цикъл „събиране → моделиране → оптимизация“:

• Слоев за данни: Обединява данни за товарите и фотоелементите.

• Слоев за модели: Балансира ползването на фотоелементи, съхранение и товари чрез оптимални схеми.

• Слоев за управление: Координира операциите на фотоелементи/съхранение и планирането на товари за целите „стая-ефективност“ (структурата е показана на Фигура 2).

2.2 Основни компоненти и сътрудничество

Ключовите компоненти (масиви от фотоелементи, батерии, инвертори, сървър, товари) работят като:

• Масиви от фотоелементи: Включват MPPT чрез инвертори, предават реално време на производство към сървъра.

• Съхранение на енергия: Подключено към мрежата, зарежда се при излишъци от фотоелементи и разтоварва се при недостиг (измерено за взаимодействие с мрежата).

• Сървър: Свързва инвертори/розетки, приспособява устройства според правилата за ефективност, за да оптимизира потока на енергията.

2.3 Класификация и планиране на товарите

Товарите се разделят на три типа за планиране, водено от тарифи според часа:

• Критични товари (например, осветление): Фиксирано време, неподдаващи се на регулировка.

• Регулируеми товари (например, климатици): Променлив спрос, регулируема мощност.

• Преносими товари (например, перални машини): Гъвкаво време, основен за ефективността.

Сървърът контролира преносимите товари чрез умни розетки, изравнява върхове/долини, за да намали разходите и стабилизира мрежата.

3 Математически модел и стратегия за управление на енергийната ефективност в дома
3.1 Математически модел за управление на енергийната ефективност в дома

За да се постигне точна управление на енергийната ефективност в дома, трябва да се установи математически модел за общата стоимость на електроенергията. Тази статия използва цикъл за управление на „ден“, разделяйки 24 часа на равни интервали. Чрез дискретизация на непрекъснатите проблеми (когато n е достатъчно голямо, всеки интервал приближава „микро-елемент“ и променливите могат да се считат за постоянни в интервала). В t-ти интервал, основавайки се на динамичното равновесие на „мощността на домашния товар, мощността на производството на фотоелементи, мощността на зареждане/разтоварване на батерията и мощността на взаимодействието с мрежата“, се извежда уравнението за равновесие на системата.

В t-ти времеви интервал, мощностните променливи са дефинирани по следния начин:

• P_G^t: Взаимодействие с мрежата (положително за абсорбция на мощност, отрицателно за инжекция на мощност);

• P_A^t: Обща мощност на домашния товар;

• P_b^t: Мощност на зареждане/разтоварване на батерията (положителна за разтоварване, отрицателна за зареждане);

• P_PV^t: Мощност на производството на фотоелементи (влияна от солнечната радиация, температурата, влажността и др., и предвидима чрез модели за прогнозиране на мощността на фотоелементите).

Домашната система с фотоелементи работи по модела „самоизползване + излишъци за мрежата“, където излишната електроенергия генерира приходи от подаване в мрежата и производството на фотоелементи се квалифицира за субсидии. При тарифи според часа (по-високи тарифи в пикови часове, по-ниски тарифи извън пикови часове), общата стоимость на електроенергията се изчислява като: Total Cost = Grid Purchase Cost - Grid-Feeding Revenue - PV Subsidies

За дневен цикъл, дискретизиран на n интервали, моделът за общата стоимость може да бъде разложен до сумата от конкретните разходи за интервал, точно адаптиращи се към динамични тарифни сценарии.

В формулата: C представлява общата дневна стоимость на електроенергията за домакинството; f_PV е единичната цена на субсидията за производството на фотоелементи; 24/n е продължителността на един временен интервал. Изразът за f^t в Формула (2) е

В формулата: f^t_C е цената на електроенергията за потребителя в t-ти период, който се разделя на пикови и извън пикови цени в различни периоди; f_R е цената за излишъци, подадени в мрежата. Стойностите на f^t_C, f_R и f_PV във всеки момент на деня са известни. Общата мощност P_A^t на домашния товар е равна на сбора от мощностите на всички преносими товари и други товари в t-ти период.

В формулата: P_L,i е работната мощност на i-ти преносим товар; T_L,i е началното време на i-ти преносим товар; Δt_i е продължителността на работа на i-ти преносим товар; [t_i^s, t_i^e] е диапазонът на началното време на i-ти преносим товар. P_L,i, Δt_i, t_i^s и t_i^e са определени стойности. Електрическата мощност P_else,j^t на други товари е известна, докато електрическата мощност на преносимите товари се променя според различните начални времена, и T_L,i е неопределена стойност. Когато T_L,i е различна, общата мощност P_A^t на домашния товар се променя съответно, като се променя и общата стоимость на електроенергията C.

3.2 Стратегия за управление

Основната цел на управлението на енергийната ефективност в дома е максимизиране на икономическите ползи, конкретно транслирана в конструиране на целева функция за „минимизиране на общата стоимость на електроенергията C“.

Основавайки се на модела за преносими товари и комбинирана с механизма за тарифи според часа, коригирането на началното време T_L,i на преносимите товари може да оптимизира динамично кривата на общата мощност на домашния товар, намалявайки общата стоимость от гледна точка на времето на използване на електроенергията.

Съгласувана логика за управление на фотоелементи и съхранение на енергия

За производството на фотоелементи (PV) и батерии за съхранение на енергия, се формулират стратегии за различни периоди:

• Пикови периоди: Първоначално се използва пълното производство на фотоелементи. Ако производството на фотоелементи > мощността на товара, излишната електроенергия се подава в мрежата за приходи. Ако производството на фотоелементи < мощността на товара, батерията се използва за подаване на мощност (когато състоянието на зареждане > минималната стойност). Когато батерията е изчерпана, недостигащата част се допълва от мрежата.

• Извън пикови периоди: Батерията се зарежда с максималната мощност за съхранение на енергия. Всичката електроенергия за товари се подава от мрежата, използвайки ниските цени на извън пикови часове, за да „запълни долината“ и съхранява енергия за пикови периоди.

Ограничения за батерията

Необходимо е да се вземат предвид ограниченията за зареждане/разтоварване и капацитета на батерията, за да се ограничат действията за зареждане и разтоварване (специфичните ограничения трябва да бъдат допълнени с формули/модели, не са напълно представени в оригинала), за да се гарантира безопасността на оборудването и стабилността на системата.

В Формула (6): P_b,max е максималната мощност за зареждане/разтоварване на батерията; в Формула (7), SOC^t е състоянието на зареждане (SOC) на батерията в t-ти период; SOC_min е минималната стойност на SOC на батерията; SOC_max е максималната стойност на SOC на батерията.

Според стратегията за управление, оптимизирайте и контролирайте мощността за зареждане/разтоварване на батерията за съхранение на енергия. През пикиращия период t ∈ [t₁, t₂], където t₁ е началото на пикиращия период, а t₂ е краят на пикиращия период, мощността за разтоварване на батерията се задава като

През извън пикиращия период t ∈ [1, t₁], мощността за разтоварване на батерията за съхранение се задава като

Необходимо е да се изчисли състоянието на зареждане (SOC) на батерията за съхранение. Връзката между състоянието на зареждане по време на процеса на зареждане и разтоварване на батерията за съхранение и мощността за зареждане/разтоварване е следната:

Формула (10) описва връзката между SOC на батерията за съхранение и мощността за зареждане по време на зареждане (тук P_b^t < 0); Формула (11) описва, че по време на разтоварване (тук P_b^t > 0). SOC^{t + 1} е SOC в (t + 1)-ви период; σ (темп на саморазтоварване, почти 0% за малки времеви интервали), η_ch (ефективност на зареждане), η_dis (ефективност на разтоварване) и E_b,max (максимална капацитет) са параметри на батерията. В заключение, оптимизацията на енергийната ефективност в дома има за цел минимизиране на общата стоимость на електроенергията, като се определят началните времена на преносимите товари и мощността за зареждане/разтоварване на батерията за съхранение на всяка минута, изказани като:

Целева функция

Ограничения

4 Анализ на случаи

За да се провери ефективността на предложения метод за управление на енергийната ефективност в дома, се провеждат симулации и анализи, използвайки домашната електроника на типичен дом в Шанхай. Системата за управление на енергийната ефективност в дома се състои от фотоелементни панели, батерии, инвертор, домашен сървър и домашни товари. Конфигурационните параметри на системата са показани в Таблица 1.