Talouden energiatehokkuuden hallintastrategian tutkimus pohjautuen hajautettuihin aurinkovoimaloihin ja ESS

Echo

Kenttä: Transformerianalyysi

China

1 ZigBee - perustuva älykoti -järjestelmä

Tietokonetekniikan ja tietojenkäsittelytekniikan jatkuva kehitys on nopeuttanut älykkaiden kodien kehitystä. Älykodit säilyttävät perinteiset asuntojen toiminnallisuudet, mutta mahdollistavat myös käyttäjien huonekalujen helpon hallinnoinnin. Käyttäjät voivat jopa hallita kodin sisäisiä tilanteita etänä, mikä helpottaa energiatehokasta hallintaa ja parantaa merkittävästi elämänlaatua.

Tässä artikkelissa suunnitellaan ZigBee -perustuva älykoti -järjestelmä, joka koostuu kolmesta osasta: kotiverkosta, kotipalvelimesta ja mobiiliterminalista. Järjestelmä on yksinkertainen, tehokas ja hyvin skaalautuva, sen rakenne näkyy kuvassa 1.

1 ZigBee - perustuva älykoti -arkkitehtuuri
1.1 Kotiverkko

Kotiverkko, joka toimii ytimenä, yhdistää ohjattavat kuormat solmuina sisäiseen tiedonsiirtoon ja monipuoliseen energiahallintaan. Valitsemalla langaton (ZigBee) ratkaisu sijaan langallisen ratkaisun joustavuus, luotettavuus ja skaalautuvuus kasvavat. ZigBee, joka on rakennettu IEEE 802.15.4 -standardin pohjalta, tarjoaa matalan hinnan, tehon ja monimutkaisuuden sekä korkean turvallisuuden. Sen edulliset piikit vähentävät järjestelmän laitteistokustannuksia. Verkko sisältää:

Koordinatori: Hallitsee ZigBee -verkkoa (CC2530 -pohjainen, IAR -käännöksellä), kattaa tyypilliset kodit suoraviivaisella topologialla.
Loppusolmut: Yhdensuuntaiset mittarit/kytkimet (kuten älykytkimet), keräävät dataa ja suorittavat komentoja “hallinta + valvonta” suljetulle.

1.2 Kotipalvelin

Palvelin toimii järjestelmän “tieto -hallintaytimenä”, hoitamalla:

Tiedon keskus: Vaihtaa tietoa ZigBeen (sarjaportin kautta) ja mobiiliterminalien välillä (Socketin kautta).
Toiminnan valvonta: Seuraa kuormien tilaa, hallitsee kytkimiä ja tallentaa sähköntietoja.
Energiatehokkuusajattelija: Analysoi kuorman/valosähköntuotannon tietoja optimoidakseen aikatauluja, suljeva energiahallinnan silmukka.

1.3 Mobiiliterminali

Android -pohjainen (Eclipse + Java), terminali mahdollistaa:

Tilan näkyvyys: Reaaliaikainen näyttö palvelimen lähettämästä sähköntiedosta.
Etähallinta: Lähettää komentoja kuormien epäsuoraan hallintaan.
Joustava aikataulu: Asettaa mukautettuja kuormituksen aikoja (esimerkiksi aikavarianttiselle hinnoittelulle).

2 Kotitalouden energiatehokkuushallinnan suunnittelu
2.1 Järjestelmän arkkitehtuuri ja logiikka

Yhdistämällä “älykoti + PV + energiasäilytys”, järjestelmä upottaa tehokkuusstrategiat palvelimeen, muodostamalla “kerää → malli → optimoi” -silmukan:

Datalayer: Yhdistää kuorman ja PV:n tiedot.
Mallikerroin: Tasapainottaa PV:n käytön, säilytyksen ja kuorman optimaalisilla skenaarioilla.
Hallintakerros: Koordinoi PV:n/säilytysoperaatiot ja kuorman aikataulutus “kustannustehokkuuden” tavoitteisiin (rakenne kuvassa 2).

2.2 Ydinosa ja yhteistyö

Avainsisäiset komponentit (PV-paneelit, akut, inverterit, palvelin, kuormat) toimivat seuraavasti:

PV-paneelit: MPPT-käytössä invertereiden kautta, lähettävät reaaliaikaista tuotantoa palvelimelle.
Energiasäilytys: Sähköverkon yhdistetty, latautuu PV-ylitaseen aikana ja purkautuu puutteiden aikana (mittaaminen sähköverkon vuorovaikutukselle).
Palvelin: Yhdistää inverterit/kytkimet, säädellään laitteita tehokkuussäännöissä optimoidakseen energian virtauksen.

2.3 Kuorman luokittelu ja aikataulutus

Kuormat jaetaan kolmeen tyyppiin aikavarianttiselle hinnoittelulle -ohjatuksi aikatauluksi:

Kriittiset kuormat (esimerkiksi valaistus): Kiinteä-aikainen, ei-säädettävä.
Säädettävät kuormat (esimerkiksi AC): Muuttuva kysyntä, teho-säädettävä.
Siirrettävät kuormat (esimerkiksi pesukoneet): Aikajoustava, ydin tehokkuudelle.

Palvelin hallitsee siirrettäviä kuormia älykytkimien kautta, leikkaa huippuja/täyttää laakoja vähentääkseen kustannuksia ja vakauttaakseen sähköverkon.

3 Matemaattinen malli ja hallintastrategia kotitalouden energiatehokkuuden hallinnalle
3.1 Kotitalouden energiatehokkuuden hallinnan matemaattinen malli

Täsmällisen kotitalouden energiatehokkuuden hallinnan saavuttamiseksi on oltava olemassa matemaattinen malli kokonaissähkön kustannuksista. Tässä artikkelissa käytetään “päivittäistä” hallintasykliä, jossa 24 tuntia jaetaan $n$ yhtä pitkään aikaväliin. Diskretisoimalla jatkuvia ongelmia (kun $n$ on riittävän suuri, jokainen väli lähestyy “micro-elementtiä,” ja muuttujia voidaan olettaa vakiona välillä). $t$ -välin päätteeksi, perustuen dynaamiseen tasapainoon “kotitalouden kuorman tehot, aurinkovaloenergian tuotannon teho, akun lataus/purkautumisen teho ja sähköverkon vuorovaikutuksen teho,” järjestelmän tehotasapainoyhtälö johtaa:

Välillä $t$ , tehomuuttujat määritellään seuraavasti:

$P_{G t}$ : Sähköverkon vuorovaikutuksen teho (positiivinen, kun energia imetaan, negatiivinen, kun energia syötetään);
$P A t$ : Kokonaiskuorman teho;
$P b t$ : Akun lataus/purkautumisen teho (positiivinen purkautuessa, negatiivinen latauksessa);
$P PV t$ : Aurinkovaloenergian (PV) tuotannon teho (vaikuttaa aurinkosäteilyyn, lämpötilaan, kosteusasteeseen jne., ja ennustettavissa PV-voiman ennustemalleilla).

Kotitalouden PV-järjestelmä toimii “omakäyttö + ylijäämän sähköverkon syöttö” -mallin pohjalta, jossa ylijäämä sähkö tuottaa sähköverkon syöttötuloja ja PV-tuotanto on edullista tukiohjelmilla. Ottaen huomioon aikavarianttisen hinnoittelun (korkeammat huippuhinnat, alhaisemmat off-peak-hinnat), kokonaissähkön kustannukset lasketaan:Kokonaiskustannus=Sähköverkon ostokustannus−Sähköverkon syöttötulo−PV-tuet

Päiväsyklille, joka on diskretisoitu $n$ väliin, kokonaiskustannusmalli voidaan edelleen hajottaa välikohtaisiin kustannuksiin, sopeutuen tarkasti dynaamisiin hinnoittelutilanteisiin.

Kaavassa: $C$ edustaa kotitalouden päivittäisiä sähkön kustannuksia; f_PV on aurinkovaloenergian tuotannon tuen yksikköhinta; $24/n$ on yhden aikavälin kesto.
Kaavassa (2) ilmaisun $f t$ on

Kaavassa: $f t$ _C on käyttäjälle $t$ -välin aikana, joka on jaettu huippuhintaan ja off-peak-hintaan eri ajanjaksoihin; $f R$ on ylijäämän sähköverkon syöttöhinta. Arvot $f C t$ , $f R$ ja $f PV$ ovat tunnettuja päivän mitä tahansa hetkenä. Kotitalouden kokonaiskuorman teho $P A t$ on yhtä suuri kuin kaikkien siirrettävien kuormien ja muiden kuormien tehojen summa $t$ -välin aikana.

Kaavassa: $P L,i$ on $i$ -nnen siirrettävän kuorman toimintateho; $T L,i$ on $i$ -nnen siirrettävän kuorman käynnistysaika; Δ $t i$ on $i$ -nnen siirrettävän kuorman toiminta-aika; $[t i s, t i e]$ on $i$ -nnen siirrettävän kuorman käynnistysajan alue. $P L,i$ , Δ $t i$ , $t i s$ ja $t i e$ ovat kaikki tunnettuja arvoja.

Muun kuorman sähköteho $P else,j t$ on tunnettu, kun taas siirrettävien kuormien sähköteho muuttuu eri käynnistysajoista, ja $T L,i$ on tuntematon arvo. Kun $T L,i$ on eri, kotitalouden kokonaiskuorman teho $P A t$ muuttuu vastaavasti, muuttamalla siten kotitalouden kokonaiskustannuksia $C$ .

3.2 Hallintastrategia

Kotitalouden energiatehokkuuden hallinnan ydinmäärä on maximoimaan taloudellisia etuja, joka tarkoittaa objektiivifunktion muodostamista "minimoimaan kotitalouden kokonaiskustannukset $C$ ".

Perustuen siirrettävien kuormien malliin ja yhdistämällä aikavarianttisen hinnoittelun mekanismiin, siirrettävien kuormien käynnistysajan $T_{\text{L},i}$ säätämällä voidaan dynaamisesti optimoida kotitalouden kokonaiskuorman teho, vähentäen kokonaiskustannuksia sähkönkulutuksen ajan näkökulmasta.

PV:n ja energiasäilytysakun yhteishallintalogiikka

Aurinkovaloenergian (PV) tuotannolle ja energiasäilytysakulle on suunniteltu hallintastrategioita eri ajanjaksoille:

Huippujakso: Priorisoidaan PV-tuotannon täydellinen käyttö. Jos PV-tuotanto > kuorman teho, ylijäämä sähkö syötetään sähköverkkoon tuottoon. Jos PV-tuotanto < kuorman teho, akku priorisoidaan energiantoimittajaksi (kun akun varausprosentti > minimiarvo). Kun akku on tyhjä, puutteellinen osa täydennetään sähköverkosta.
Off-peak-jakso: Akku ladataan maksimilatausvetoisuudella energiasäilytykseen. Kaikki kuorman sähkö tuotetaan sähköverkosta, käyttäen matalahintaista off-peak-sähköä "täyttämään laakso" ja säilömiseen huippujaksolle.

Akun rajoitukset

On otettava huomioon akun lataus/purkautumisen tehorajoitukset ja varausrajat akun lataus- ja purkautumisen käyttäytymisen rajoittamiseksi (tarkemmat rajoitukset on täydennettävä kaavoilla/malleilla, eivät ole täysin esitetty alkuperäisessä tekstissä), varmistaen laitteen turvallisuus ja järjestelmän vakaus.

Kaavassa (6): $P b,max$ on akun maksimilataus/purkautumistehto; kaavassa (7), $SOC t$ on akun varausprosentti (SOC) $t$ -välin aikana; $SOC min$ on akun SOC:n minimiarvo; $SOC max$ on akun SOC:n maksimiarvo.

Hallintastrategian mukaan optimoidaan ja kontrolloidaan energiasäilytysakun lataus/purkautumistehto. Huippujaksolla $t ∈[t 1, t 2$ , missä $t 1$ on sähköhuippujakson aloitusajankohta ja $t 2$ on sähköhuippujakson päättymisaika, akun purkautumistehto asetetaan