Investigación sobre la Estrategia de Gestión de Eficiencia Energética en Hogares Basada en Plantas PV Distribuidas y ESS

1 Sistema inteligente para el hogar basado en ZigBee

Con el desarrollo continuo de la tecnología informática y de control de información, los hogares inteligentes han evolucionado rápidamente. Los hogares inteligentes no solo retienen las funciones tradicionales de la vivienda, sino que también permiten a los usuarios gestionar los dispositivos domésticos de manera conveniente. Incluso fuera del hogar, los usuarios pueden monitorear remotamente el estado interno, facilitando la gestión eficiente de la energía y mejorando significativamente la calidad de vida.

Este artículo diseña un sistema inteligente para el hogar basado en ZigBee, compuesto por tres componentes: red doméstica, servidor doméstico y terminal móvil. El sistema es simple, eficiente y altamente escalable, con su estructura mostrada en la Figura 1.

1 Arquitectura del sistema inteligente para el hogar basado en ZigBee
1.1 Red doméstica

Como base fundamental, la red doméstica conecta cargas controlables como nodos para la transmisión de datos interna y la gestión de múltiples energías. Optar por soluciones inalámbricas (ZigBee) sobre soluciones cableadas aumenta la flexibilidad, confiabilidad y escalabilidad. ZigBee, construido sobre IEEE 802.15.4, ofrece bajo costo, consumo de energía y complejidad con alta seguridad. Sus chips asequibles reducen los costos de hardware del sistema. La red incluye:

• Coordinador: Gestiona la red ZigBee (basado en CC2530, compilado con IAR), cubriendo hogares típicos a través de una topología directamente conectada.

• Nodos terminales: Integrados con medidores/relevadores (como enchufes inteligentes), recopilan datos y ejecutan comandos para el cierre de "control + monitoreo".

1.2 Servidor doméstico

El servidor actúa como el "núcleo de control de datos" del sistema, manejando:

• Centro de datos: Intercambia información entre ZigBee (a través del puerto serie) y terminales móviles (a través de Socket).

• Monitoreo de operaciones: Rastrea el estado de la carga, controla los interruptores y almacena datos de electricidad.

• Cerebro de eficiencia energética: Analiza los datos de carga/fotovoltaica para optimizar la programación, cerrando el ciclo de gestión de energía.

1.3 Terminal móvil

Basado en Android (Eclipse + Java), el terminal permite:

• Visibilidad del estado: Muestra en tiempo real la información de electricidad empujada por el servidor.

• Control remoto: Envía comandos para controlar las cargas de forma indirecta.

• Programación flexible: Establece tiempos personalizados de carga (por ejemplo, para tarifas de uso horario).

2 Diseño de la gestión de eficiencia energética del hogar
2.1 Arquitectura y lógica del sistema

Integrando "hogar inteligente + PV + almacenamiento de energía", el sistema incrusta estrategias de eficiencia en el servidor, formando un bucle de "recopilación → modelo → optimización":

• Capa de datos: Combina datos de carga y PV.

• Capa de modelo: Equilibra el uso de PV, almacenamiento y carga a través de esquemas óptimos.

• Capa de control: Coordinación de operaciones de PV/almacenamiento y programación de carga para objetivos de "eficiencia de costos" (estructura en la Figura 2).

2.2 Componentes principales y colaboración

Los componentes clave (paneles fotovoltaicos, baterías, inversores, servidor, cargas) funcionan como:

• Paneles fotovoltaicos: Habilitados con MPPT a través de inversores, transmitiendo la salida en tiempo real al servidor.

• Almacenamiento de energía: Conectado a la red, cargando durante el exceso de PV y descargando durante las escaseces (medido para la interacción con la red).

• Servidor: Enlaza inversores/enchufes, ajustando dispositivos según reglas de eficiencia para optimizar el flujo de energía.

2.3 Clasificación y programación de cargas

Las cargas se dividen en tres tipos para la programación impulsada por tarifas de uso horario:

• Cargas críticas (por ejemplo, iluminación): Tiempo fijo, no ajustable.

• Cargas ajustables (por ejemplo, aire acondicionado): Demanda variable, potencia ajustable.

• Cargas desplazables (por ejemplo, lavadoras): Tiempo flexible, núcleo para la eficiencia.

El servidor controla las cargas desplazables a través de enchufes inteligentes, afeitando picos/llevando valles para reducir costos y estabilizar la red.

3 Modelo matemático y estrategia de control para la gestión de eficiencia energética del hogar
3.1 Modelo matemático para la gestión de eficiencia energética del hogar

Para lograr una gestión precisa de la eficiencia energética del hogar, se debe establecer un modelo matemático para el costo total de electricidad. Este artículo utiliza un ciclo de control "diario", dividiendo 24 horas en n intervalos de tiempo iguales. Al discretizar problemas continuos (cuando n es suficientemente grande, cada intervalo se aproxima a un "microelemento" y las variables se pueden asumir constantes dentro del intervalo). En el t-ésimo intervalo, basado en el equilibrio dinámico de "potencia de carga del hogar, potencia generada por PV, potencia de carga/descarga de la batería y potencia de interacción con la red", se deriva la ecuación de balance de potencia del sistema como:

Dentro del t-ésimo intervalo de tiempo, las variables de potencia se definen como sigue:

• P_G^t: Potencia de interacción con la red (positiva para absorción de potencia, negativa para inyección de potencia);

• P_A^t: Potencia total de carga del hogar;

• P_b^t: Potencia de carga/descarga de la batería (positiva para descarga, negativa para carga);

• P_PV^t: Potencia de salida fotovoltaica (influenciada por radiación solar, temperatura, humedad, etc., y predecible mediante modelos de pronóstico de potencia PV).

El sistema fotovoltaico del hogar opera bajo el modelo de "autoconsumo + alimentación a la red de energía excedente", donde la energía excedente genera ingresos por alimentación a la red y la generación PV califica para subsidios. Considerando las tarifas de uso horario (tarifas más altas en horas pico, tarifas más bajas en horas valle), el costo total de electricidad se calcula como:Costo Total=Costo de Compra a la Red−Ingresos por Alimentación a la Red−Subsidios PV

Para un ciclo diario discretizado en n intervalos, el modelo de costo total puede descomponerse en la suma de costos específicos de intervalo, adaptándose precisamente a escenarios de precios dinámicos.

En la fórmula: C representa el costo total diario de electricidad del hogar; f_PV es el precio unitario del subsidio de generación de energía fotovoltaica; 24/n es la duración de un intervalo de tiempo.
La expresión para f_t en la Fórmula (2) es

En la fórmula: f^t_C es el precio de electricidad para el usuario durante el t-ésimo período, que se divide en precio de electricidad en horas pico y precio de electricidad en horas valle según diferentes períodos; f_R es el precio de electricidad para la energía excedente alimentada a la red. Los valores de f_C^t, f_R y f_PV en cualquier momento del día son conocidos. La potencia total P_A^t de la carga del hogar es igual a la suma de la potencia de todas las cargas desplazables y otras cargas durante el t-ésimo período.

En la fórmula: P_L,i es la potencia de operación de la i-ésima carga desplazable; T_L,i es el tiempo de inicio de la i-ésima carga desplazable; Δ t_i  es la duración de operación de la i-ésima carga desplazable; [t_i^s, t_i^e] es el rango del tiempo de inicio de la i-ésima carga desplazable. P_L,i, Δ t_i, t_i^s y t_i^e son todos valores definitivos.

La potencia eléctrica P_else,j^t de otras cargas es conocida, mientras que la potencia de las cargas desplazables cambia según diferentes tiempos de inicio, y T_L,i es un valor indeterminado. Cuando T_L,i es diferente, la potencia total P_A^t de la carga del hogar cambia en consecuencia, cambiando así el costo total de electricidad del hogar C.

3.2 Estrategia de control

El objetivo central de la gestión de eficiencia energética del hogar es maximizar los beneficios económicos, específicamente traducido en la construcción de una función objetivo para "minimizar el costo total de electricidad del hogar C".

Basado en el modelo de carga desplazable y combinado con el mecanismo de tarifas de uso horario, ajustar el tiempo de inicio \(T_{\text{L},i}\) de las cargas desplazables puede optimizar dinámicamente la curva de potencia total de la carga del hogar, reduciendo el costo total desde la perspectiva del momento de consumo de electricidad.

Lógica de control coordinado para PV y almacenamiento de energía

Para la generación de energía fotovoltaica (PV) y las baterías de almacenamiento, se formulan estrategias de control para diferentes períodos de tiempo:

• Períodos pico: Priorizar el consumo completo de la generación de energía PV. Si la salida de PV > potencia de carga, la electricidad excedente se alimenta a la red para generar ingresos. Si la salida de PV < potencia de carga, se prioriza la batería para suministrar energía (cuando el estado de carga de la batería > valor mínimo). Cuando la batería se agota, la parte insuficiente se suple con la red.

• Períodos valle: La batería se carga a la máxima potencia de carga para el almacenamiento de energía. Toda la electricidad de la carga se suministra a través de la red, utilizando la electricidad de bajo precio en horas valle para "llenar el valle" y almacenar energía para los períodos pico.

Restricciones de la batería

Es necesario considerar simultáneamente los límites de potencia de carga/descarga y las restricciones de capacidad de la batería para restringir sus comportamientos de carga y descarga (restricciones específicas necesitan ser complementadas con fórmulas/modelos, no presentadas completamente en el texto original), asegurando la seguridad del equipo y la estabilidad del sistema.

En la Fórmula (6): P_b,max  es la potencia máxima de carga/descarga de la batería; en la Fórmula (7), SOC^t es el estado de carga (SOC) de la batería durante el t-ésimo período; SOC_min es el valor mínimo del SOC de la batería; SOC_max es el valor máximo del SOC de la batería.

Según la estrategia de control, optimizar y controlar la potencia de carga/descarga de la batería de almacenamiento. Durante el período pico t &isin;[t₁, t₂, donde t₁ es el tiempo de inicio del período pico de electricidad y t₂ es el tiempo final del período pico de electricidad, la potencia de descarga de la batería se establece como

Durante el período valle t &isin; [1, t₁], la potencia de descarga de la batería de almacenamiento se establece como

Es necesario calcular el estado de carga (SOC) de la batería de almacenamiento. La relación entre el estado de carga durante el proceso de carga y descarga de la batería de almacenamiento y la potencia de carga/descarga es la siguiente:

La Fórmula (10) describe la relación entre el SOC de la batería de almacenamiento y la potencia de carga durante la carga (aquí P_b^t ＜ 0; la Fórmula (11) describe que durante la descarga (aquí P_b^t ＞ 0. SOC^{t + 1}  es el SOC en el t + 1-ésimo período; &sigma; (tasa de autodescarga, casi 0% para intervalos de tiempo pequeños), &eta;_ch (eficiencia de carga), &eta;_dis (eficiencia de descarga) y E_b,max  (capacidad máxima) son parámetros de la batería. En resumen, la optimización de la eficiencia energética del hogar tiene como objetivo minimizar el costo total de electricidad determinando los tiempos de inicio de las cargas desplazables y la potencia de carga/descarga de la batería de almacenamiento en cada momento, expresado como:

Función objetivo

Condiciones de restricción

4 Análisis de caso

Para verificar la efectividad del método propuesto de gestión de eficiencia energética del hogar, se realizan simulaciones y análisis utilizando el equipo eléctrico doméstico de un hogar típico en Shanghai. El sistema de gestión de eficiencia energética del hogar consta de paneles fotovoltaicos, baterías, un inversor, un servidor doméstico y cargas domésticas. Los parámetros de configuración del sistema se muestran