Recerca sobre la gestió de l'eficiència energètica domèstica basada en plantes fotovoltaiques distribuïdes i ESS
1 Sistema intel·ligent de casa basat en ZigBee
Amb el desenvolupament continu de la tecnologia informàtica i de control d'informació, les cases intel·ligents han evolucionat ràpidament. Les cases intel·ligents no només conserven les funcions tradicionals de l'habitatge, sinó que també permeten als usuaris gestionar els dispositius domèstics de manera còmoda. Fins i tot fora de casa, els usuaris poden monitorar remotament l'estat intern, facilitant la gestió de l'eficiència energètica del habitatge i millorant significativament la qualitat de vida.
Aquest article dissenya un sistema intel·ligent de casa basat en ZigBee, que consta de tres components: xarxa domèstica, servidor domèstic i terminal mòbil. El sistema és simple, eficient i altament escalable, amb una estructura mostrada a la Figura 1.
1 Arquitectura de casa intel·ligent basada en ZigBee
1.1 Xarxa domèstica
Com a base fonamental, la xarxa domèstica connecta càrregues controlables com a nodes per a la transmissió de dades internes i la gestió multi-energètica. Optar per solucions sense fil (ZigBee) en lloc de solucions amb fil augmenta la flexibilitat, la fiabilitat i l'escalabilitat. ZigBee, basat en IEEE 802.15.4, ofereix baix cost, consum d'energia i complexitat amb alta seguretat. Les seves fulles de silici asequibles reduïxen els costos de maquinari del sistema. La xarxa inclou:
1.2 Servidor domèstic
El servidor actua com el "núcleu de control de dades" del sistema, gestionant:
1.3 Terminal mòbil
Basat en Android (Eclipse + Java), el terminal permet:
2 Disseny de gestió de l'eficiència energètica del habitatge
2.1 Arquitectura i lògica del sistema
Integrant "casa intel·ligent + fotovoltaica + emmagatzematge d'energia", el sistema incorpora estratègies d'eficiència al servidor, formant un bucle "recollida → modelització → optimització":
2.2 Components clau i col·laboració
Els components clau (arrays fotovoltaics, bateries, inversors, servidor, càrregues) funcionen com:
2.3 Classificació i planificació de càrregues
Les càrregues es divideixen en tres tipus per a la planificació impulsada per tarifes variables segons l'hora:
El servidor controla les càrregues desplaçables mitjançant prises intel·ligents, alliberant pics/omplint valles per reduir costos i estabilitzar la xarxa.
3 Model matemàtic i estratègia de control per a la gestió de l'eficiència energètica del habitatge
3.1 Model matemàtic per a la gestió de l'eficiència energètica del habitatge
Per aconseguir una gestió precisa de l'eficiència energètica del habitatge, cal establir un model matemàtic del cost total d'electricitat. Aquest article utilitza un cicle de control "diari", dividint les 24 hores en intervals de temps iguals. Discretitzant problemes continus (quan n és suficientment gran, cada interval s'aproxima a un "microelement", i les variables es poden assumir constants dins de l'interval). En el t-èsim interval, basant-se en l'equilibri dinàmic de "potència de càrrega de la casa, potència generada fotovoltaica, potència de càrrega/descàrrega de la bateria, i potència d'interacció amb la xarxa", s'obté l'equació de balanç de potència del sistema com:
Dins del t-èsim interval de temps, les variables de potència es defineixen com segueix:
El sistema fotovoltaic de la casa opera sota el model de "consum propi + alimentació a la xarxa de l'excés d'electricitat", on l'electricitat excendent genera ingressos per la alimentació a la xarxa i la generació fotovoltaica qualifica per subvencions. Considerant les tarifes variables segons l'hora (tarifes més altes en punta, més baixes en valle), el cost total d'electricitat es calcula com:Cost Total=Cost d'adquisició a la xarxa−Ingressos per alimentació a la xarxa−Subvencions fotovoltaiques
Per a un cicle diari discretitzat en n intervals, el model de cost total es pot descompondre en la suma de costos específics d'intervals, adaptant-se precisament a escenaris de tarifes dinàmiques.
En la fórmula: C representa el cost total d'electricitat diari de la casa; fPV és el preu unitari de la subvenció de generació d'electricitat fotovoltaica; 24/n és la durada d'un interval de temps.
L'expressió per ft en la Fórmula (2) és
En la fórmula: ftCés el preu de l'electricitat per a l'usuari durant el t-èsim període de temps, que es divideix en el preu de l'electricitat en punta i el preu de l'electricitat en valle segons diferents períodes de temps; fR és el preu de l'electricitat per l'excés d'electricitat injectada a la xarxa. Els valors de fCt, fR i fPV en qualsevol moment del dia són coneguts. La potència total PAt de la càrrega de la casa és igual a la suma de la potència de totes les càrregues desplaçables i altres càrregues durant el t-èsim període de temps.
En la fórmula: PL,i és la potència de funcionament de la i-èsima càrrega desplaçable; TL,i és l'hora d'inici de la i-èsima càrrega desplaçable; Δ ti és la durada de funcionament de la i-èsima càrrega desplaçable; [tis, tie] és el rang de l'hora d'inici de la i-èsima càrrega desplaçable. PL,i, Δ ti, tis i tie són tots valors definitius.
La potència elèctrica Pelse,jt d'altres càrregues és coneguda, mentre que la potència de les càrregues desplaçables canvia segons diferents hores d'inici, i TL,i és un valor indeterminat. Quan TL,i és diferent, la potència total PAt de la càrrega de la casa canvia en conseqüència, canviant el cost total d'electricitat de la casa C.
3.2 Estratègia de control
L'objectiu central de la gestió de l'eficiència energètica del habitatge és maximitzar els beneficis econòmics, específicament traduït en construir una funció objectiu per "minimitzar el cost total d'electricitat de la casa C".
Basant-se en el model de càrrega desplaçable i combinant-lo amb el mecanisme de tarifes variables segons l'hora, ajustant l'hora d'inici \(T_{\text{L},i}\) de les càrregues desplaçables es pot optimitzar dinàmicament la corba de potència total de la càrrega de la casa, reduint el cost total des del punt de vista de la temporització del consum d'electricitat.
Lògica de control coordinat per a fotovoltaica i emmagatzematge d'energia
Per a la generació d'electricitat fotovoltaica i les bateries d'emmagatzematge d'energia, s'elaboren estratègies de control per a diferents períodes de temps:
Restriccions de la bateria
Cal considerar simultàniament els límits de potència de càrrega/descàrrega i les restriccions de capacitat de la bateria per limitar els comportaments de càrrega i descàrrega (es necessiten suplementar amb fórmules/modeles, no presentats completament en el text original), assegurant la seguretat de l'equipament i la estabilitat del sistema.
En la Fórmula (6): Pb,max és la potència màxima de càrrega/descàrrega de la bateria; en la Fórmula (7), SOCt és l'estat de càrrega (SOC) de la bateria durant el t-èsim període de temps; SOCmin és el valor mínim de la SOC de la bateria; SOCmax és el valor màxim de la SOC de la bateria.
Segons la estratègia de control, s'optimitza i controla la potència de càrrega/descàrrega de la bateria d'emmagatzematge. Durant el període de punta t ∈[t1, t2, on t1 és l'hora d'inici del període de punta d'electricitat i t2 és l'hora final del període de punta d'electricitat, la potència de descàrrega de la bateria s'estableix com
Durant el període de valle t ∈ [1, t1], la potència de descàrrega de la bateria d'emmagatzematge s'estableix com
Cal calcular l'estat de càrrega (SOC) de la bateria d'emmagatzematge. La relació entre l'estat de càrrega durant el procés de càrrega i descàrrega de la bateria d'emmagatzematge i la potència de càrrega/descàrrega és la següent:
La Fórmula (10) descriu la relació entre el SOC de la bateria d'emmagatzematge i la potència de càrrega durant la càrrega (aquí Pbt ＜ 0; la Fórmula (11) descriu que durant la descàrrega (aquí Pbt&
