Recherche sur la Stratégie de Gestion de l'Efficiacité Énergétique Domestique Basée sur les Centrales PV Réparties et les Systèmes de Stockage d'Énergie

1 Système intelligent pour la maison basé sur ZigBee

Avec le développement continu des technologies informatiques et de contrôle de l'information, les maisons intelligentes ont évolué rapidement. Les maisons intelligentes non seulement conservent les fonctions traditionnelles des résidences, mais permettent également aux utilisateurs de gérer commodément les appareils ménagers. Même en dehors du domicile, les utilisateurs peuvent surveiller à distance l'état intérieur, facilitant ainsi la gestion de l'efficacité énergétique et améliorant considérablement la qualité de vie.

Ce document conçoit un système intelligent pour la maison basé sur ZigBee, composé de trois éléments : réseau domestique, serveur domestique et terminal mobile. Le système est simple, efficace et très extensible, sa structure est présentée dans la Figure 1.

1 Architecture d'une maison intelligente basée sur ZigBee
1.1 Réseau domestique

En tant que base fondamentale, le réseau domestique connecte les charges contrôlables en tant que nœuds pour la transmission de données internes et la gestion multi-énergie. Opter pour une solution sans fil (ZigBee) plutôt qu'une solution filaire augmente la flexibilité, la fiabilité et l'extensibilité. ZigBee, basé sur IEEE 802.15.4, offre un coût, une consommation d'énergie et une complexité faibles avec une sécurité élevée. Ses puces abordables réduisent les coûts matériels du système. Le réseau comprend :

• Coordinateur : Gère le réseau ZigBee (basé sur CC2530, compilé avec IAR), couvrant les foyers typiques via une topologie directement connectée.

• Nœuds terminaux : Intégrés avec des compteurs/récepteurs (comme des prises intelligentes), collectent des données et exécutent des commandes pour une fermeture “contrôle + surveillance”.

1.2 Serveur domestique

Le serveur agit comme le “cœur de contrôle des données” du système, gérant :

• Hub de données : Échange des informations entre ZigBee (via le port série) et les terminaux mobiles (via Socket).

• Surveillance des opérations : Suivi de l'état des charges, contrôle des interrupteurs et stockage des données d'électricité.

• Cerveau de l'efficacité énergétique : Analyse des données de charge/photovoltaïque pour optimiser la planification, fermant ainsi la boucle de gestion de l'énergie.

1.3 Terminal mobile

Basé sur Android (Eclipse + Java), le terminal permet :

• Visibilité de l'état : Affichage en temps réel des informations d'électricité poussées par le serveur.

• Contrôle à distance : Envoie des commandes pour contrôler les charges indirectement.

• Planification flexible : Définit des horaires personnalisés pour les charges (par exemple, pour le tarif selon l'heure d'utilisation).

2 Conception de la gestion de l'efficacité énergétique domestique
2.1 Architecture et logique du système

Intégrant “maison intelligente + PV + stockage d'énergie”, le système intègre des stratégies d'efficacité dans le serveur, formant une boucle “collecte → modélisation → optimisation” :

• Couche de données : Combine les données de charge et de PV.

• Couche de modélisation : Équilibre l'utilisation de PV, le stockage et la charge via des schémas optimaux.

• Couche de contrôle : Coordonne les opérations de PV/stockage et la planification des charges pour atteindre des objectifs de “coût-efficacité” (structure dans la Figure 2).

2.2 Composants clés et collaboration

Les principaux composants (panneaux PV, batteries, onduleurs, serveur, charges) fonctionnent comme suit :

• Panneaux PV : Dotés de MPPT via des onduleurs, transmettant la production en temps réel au serveur.

• Stockage d'énergie : Connecté au réseau, se chargeant pendant les excédents de PV et se déchargeant pendant les pénuries (mesuré pour l'interaction avec le réseau).

• Serveur : Relie les onduleurs/prises, ajustant les appareils selon les règles d'efficacité pour optimiser le flux d'énergie.

2.3 Classification et planification des charges

Les charges sont divisées en trois types pour la planification basée sur les tarifs selon l'heure d'utilisation :

• Charges critiques (par exemple, l'éclairage) : Temps fixe, non ajustable.

• Charges ajustables (par exemple, climatisation) : Demande variable, puissance réglable.

• Charges déplaçables (par exemple, lave-linge) : Temps flexible, essentiel pour l'efficacité.

Le serveur contrôle les charges déplaçables via des prises intelligentes, réduisant les pics et remplissant les creux pour réduire les coûts et stabiliser le réseau.

3 Modèle mathématique et stratégie de contrôle pour la gestion de l'efficacité énergétique domestique
3.1 Modèle mathématique pour la gestion de l'efficacité énergétique domestique

Pour réaliser une gestion précise de l'efficacité énergétique domestique, il faut établir un modèle mathématique pour le coût total d'électricité. Ce document utilise un cycle de contrôle “journalier”, divisant 24 heures en n intervalles de temps égaux. En discrétisant les problèmes continus (lorsque n est suffisamment grand, chaque intervalle s'approche d'un “micro-élément” et les variables peuvent être supposées constantes dans l'intervalle). Dans l'intervalle t, sur la base de l'équilibre dynamique de “la puissance de la charge domestique, la puissance de production photovoltaïque, la puissance de charge/décharge de la batterie et la puissance d'interaction avec le réseau”, l'équation d'équilibre de puissance du système est dérivée comme suit :

Dans l'intervalle de temps t, les variables de puissance sont définies comme suit :

• P_G^t: Puissance d'interaction avec le réseau (positive pour l'absorption, négative pour l'injection) ;

• P_A^t: Puissance totale de la charge domestique ;

• P_b^t: Puissance de charge/décharge de la batterie (positive pour la décharge, négative pour la charge) ;

• P_PV^t: Puissance de production photovoltaïque (influencée par l'irradiation solaire, la température, l'humidité, etc., et prévisible via des modèles de prévision de la puissance PV).

Le système PV domestique fonctionne sous le modèle “consommation propre + injection d'électricité excédentaire dans le réseau”, où l'électricité excédentaire génère des revenus d'injection et la production PV est éligible à des subventions. En tenant compte des tarifs selon l'heure d'utilisation (taux plus élevés en pointe, taux plus bas en creux), le coût total d'électricité est calculé comme suit : Coût total=Coût d'achat du réseau−Revenu d'injection dans le réseau−Subventions PV

Pour un cycle journalier discrétisé en n intervalles, le modèle de coût total peut être décomposé en une somme de coûts spécifiques à chaque intervalle, s'adaptant précisément aux scénarios de tarification dynamique.

Dans la formule : C représente le coût total quotidien d'électricité du ménage ; f_PV est le prix unitaire de la subvention pour la production d'électricité photovoltaïque ; 24/n est la durée d'un intervalle de temps. L'expression de f_t dans la Formule (2) est
La formule (2) est

Dans la formule : f^t_C est le prix de l'électricité pour l'utilisateur pendant le t-ième intervalle, qui est divisé en prix d'électricité en pointe et hors pointe selon différents intervalles ; f_R est le prix de l'électricité injectée en excès dans le réseau. Les valeurs de f_C^t, f_R et f_PV à tout moment de la journée sont connues. La puissance totale P_A^t de la charge domestique est égale à la somme de la puissance de toutes les charges déplaçables et autres charges pendant le t-ième intervalle.

Dans la formule : P_L,i est la puissance de fonctionnement de la i-ième charge déplaçable ; T_L,i est l'heure de démarrage de la i-ième charge déplaçable ; Δ t_i  est la durée de fonctionnement de la i-ième charge déplaçable ; [t_i^s, t_i^e] est la plage de l'heure de démarrage de la i-ième charge déplaçable. P_L,i, Δ t_i, t_i^s et t_i^e sont toutes des valeurs définies.

La puissance électrique P_else,j^t d'autres charges est connue, tandis que la puissance des charges déplaçables change selon différentes heures de démarrage, et T_L,i est une valeur indéterminée. Lorsque T_L,i est différent, la puissance totale P_A^t de la charge domestique change en conséquence, modifiant ainsi le coût total d'électricité domestique C.

3.2 Stratégie de contrôle

L'objectif central de la gestion de l'efficacité énergétique domestique est de maximiser les bénéfices économiques, traduit en particulier par la construction d'une fonction objective pour “minimiser le coût total d'électricité domestique C”.

Sur la base du modèle de charge déplaçable et combiné au mécanisme de tarification selon l'heure d'utilisation, en ajustant l'heure de démarrage \(T_{\text{L},i}\) des charges déplaçables, on peut optimiser dynamiquement la courbe de puissance totale de la charge domestique, réduisant le coût total du point de vue de la consommation d'électricité.

Logique de contrôle coordonné pour le PV et le stockage d'énergie

Pour la production d'énergie photovoltaïque (PV) et les batteries de stockage, des stratégies de contrôle sont formulées pour différentes périodes :

• Périodes de pointe : Prioriser la consommation complète de la production PV. Si la production PV > la puissance de la charge, l'électricité excédentaire est injectée dans le réseau pour générer des revenus. Si la production PV < la puissance de la charge, la batterie est priorisée pour l'alimentation (lorsque l'état de charge de la batterie > la valeur minimale). Lorsque la batterie est épuisée, la partie insuffisante est complétée par le réseau.

• Périodes hors pointe : La batterie est chargée à la puissance de charge maximale pour le stockage d'énergie. Toute l'électricité de la charge est fournie par le réseau, en utilisant l'électricité hors pointe à bas prix pour &ldquo;remplir la vallée&rdquo; et stocker de l'énergie pour les périodes de pointe.

Contraintes de la batterie

Il est nécessaire de prendre en compte simultanément les limites de puissance de charge/décharge et les restrictions de capacité de la batterie pour contraindre ses comportements de charge et de décharge (des contraintes spécifiques doivent être complétées avec des formules/modèles, non entièrement présentées dans le texte original), assurant la sécurité des équipements et la stabilité du système.

Dans la Formule (6) : P_b,max  est la puissance de charge/décharge maximale de la batterie ; dans la Formule (7), SOC^t est l'état de charge (SOC) de la batterie pendant le t-ième intervalle ; SOC_min est la valeur minimale du SOC de la batterie ; SOC_max est la valeur maximale du SOC de la batterie.

Selon la stratégie de contrôle, optimisez et contrôlez la puissance de charge/décharge de la batterie de stockage d'énergie. Pendant la période de pointe t &isin;[t₁, t₂, où t₁ est l'heure de début de la période de pointe et t₂ est l'heure de fin de la période de pointe, la puissance de décharge de la batterie est définie comme suit

Pendant la période hors pointe t &isin; [1, t₁], la puissance de décharge de la batterie de stockage est définie comme suit

Il est nécessaire de calculer l'état de charge (SOC) de la batterie de stockage. La relation entre l'état de charge lors du processus de charge et de décharge de la batterie de stockage et la puissance de charge/décharge est la suivante :

La Formule (10) décrit la relation entre le SOC de la batterie de stockage et la puissance de charge pendant la charge (ici P_b^t ＜ 0); la Formule (11) décrit que pendant la décharge (ici P_b^t ＞ 0. SOC^{t + 1} est le SOC dans le t + 1-ième intervalle ; &sigma;