Investigación sobre a Estratexia de Xestión da Eficiencia Enerxética Doméstica Baseada en Centrais Fotovoltaicas Distribuídas e Sistemas de Almacenamento de Enerxía

1 Sistema Intelixente de Casa Baseado en ZigBee

Con o desenvolvemento continuo da tecnoloxía informática e de control de información, as casas intelixentes evolucionaron rapidamente. As casas intelixentes non só mantén as funcións tradicionais dos fogares, senón que tamén permíten aos usuarios xestionar os dispositivos domésticos de forma conveniente. Incluso fóra do fogar, os usuarios poden monitorizar remotamente o estado interno, facilitando a xestión da eficiencia enerxética e mellorando significativamente a calidade de vida.

Este artigo diseña un sistema intelixente de casa baseado en ZigBee, composto por tres componentes: rede doméstica, servidor doméstico e terminal móbil. O sistema é simple, eficiente e altamente escalable, coa súa estrutura mostrada na Figura 1.

1 Arquitectura de Sistema Intelixente de Casa Baseado en ZigBee
1.1 Rede Doméstica

Como a base central, a rede doméstica conecta cargas controlables como nodos para a transmisión de datos internos e a xestión multi-enerxética. Optar por solucións inalámbricas (ZigBee) sobre solucións con cable aumenta a flexibilidade, fiabilidade e escalabilidade. ZigBee, construído sobre IEEE 802.15.4, ofrece baixo custo, potencia e complexidade con alta seguridade. Os seus chips asequibles reducen os custos de hardware do sistema. A rede inclúe:

• Coordinador: Xestiona a rede ZigBee (baseado en CC2530, compilado con IAR), cubrindo casas típicas mediante topoloxía directamente conectada.

• Nodos Terminais: Integrados con contadores/reles (como tomacas intelixentes), recollen datos e executan comandos para o cierre de "control + monitorización".

1.2 Servidor Doméstico

O servidor actúa como o "núcleo de datos-control" do sistema, manexando:

• Hub de Datos: Intercambia información entre ZigBee (mediante porta serie) e terminais móviles (mediante Socket).

• Monitorización de Operación: Rastrea o estado da carga, controla interruptores e almacena datos de electricidade.

• Cerebro de Eficiencia Enerxética: Analiza datos de carga/fotovoltaica para optimizar a programación, cerrando o ciclo de xestión energética.

1.3 Terminal Móbil

Baseado en Android (Eclipse + Java), o terminal permite:

• Visibilidade de Estado: Visualización en tempo real das informacións de electricidade impulsadas polo servidor.

• Control Remoto: Envia comandos para controlar indirectamente as cargas.

• Programación Flexible: Establece temporizadores personalizados para cargas (por exemplo, para prezos de uso horario).

2 Diseño de Xestión de Eficiencia Enerxética Doméstica
2.1 Arquitectura y Lóxica do Sistema

Integrando "casa intelixente + PV + almacenamento de enerxía", o sistema incorpora estratexias de eficiencia no servidor, formando un bucle "recoller → modelar → optimizar":

• Capa de Datos: Combina datos de carga e PV.

• Capa de Modelo: Equilibra o uso de PV, almacenamento e carga mediante esquemas óptimos.

• Capa de Control: Coordina as operacións de PV/almacenamento e a programación de carga para obxectivos de "eficiencia de custo" (estrutura na Figura 2).

2.2 Componentes Núcleo e Colaboración

Os compoñentes clave (arrays PV, baterías, inversores, servidor, cargas) funcionan como:

• Arrays PV: Habilitados con MPPT mediante inversores, transmitindo a saída en tempo real ao servidor.

• Almacenamento de Enerxía: Conectado á rede, cargando durante o exceso de PV e descargando durante escasezas (medido para a interacción con a rede).

• Servidor: Liga inversores/tomas, axustando dispositivos segundo regras de eficiencia para optimizar o flujo de enerxía.

2.3 Clasificación e Programación de Cargas

As cargas divídense en tres tipos para a programación impulsada polos prezos de uso horario:

• Cargas Críticas (por exemplo, iluminación): Tempo fixo, non ajustable.

• Cargas Ajustables (por exemplo, aire acondicionado): Demanda variable, potencia regulable.

• Cargas Desplazables (por exemplo, lavadoras): Flexibilidad temporal, nucleo para a eficiencia.

O servidor controla as cargas desplazables mediante tomacas intelixentes, afeitan picos / llenan valles para reducir custos e estabilizar a rede.

3 Modelo Matemático e Estratexia de Control para a Xestión de Eficiencia Enerxética Doméstica
3.1 Modelo Matemático para a Xestión de Eficiencia Enerxética Doméstica

Para lograr unha xestión precisa da eficiencia enerxética doméstica, debe establecerse un modelo matemático para o custo total de electricidade. Este artigo utiliza un ciclo de control "diario", dividindo 24 horas en n intervalos de tempo iguais. Discretizando problemas continuos (cando n é suficientemente grande, cada intervalo se aproxima a un "microelemento", e as variables poden supoñerse constantes dentro do intervalo). No t-ésimo intervalo, baseándose no equilibrio dinámico de "potencia de carga doméstica, potencia de xeración fotovoltaica, potencia de carga/descarga da batería e potencia de interacción con a rede", derívase a ecuación de balance de potencia do sistema como:

Dentro do t-ésimo intervalo de tempo, as variables de potencia defínense como segue:

• P_G^t: Potencia de interacción con a rede (positiva para absorción de potencia, negativa para inxección de potencia);

• P_A^t: Potencia total de carga doméstica;

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

• P_PV^t: Potencia de saída fotovoltaica (influenciada pola irradiación solar, temperatura, humidade, etc., e previsible mediante modelos de previsión de potencia PV).

O sistema fotovoltaico doméstico opera baixo o modelo de "autoconsumo + alimentación a la rede con excedentes", onde a electricidade excedentaria xera ingresos por alimentación a la rede e a xeración PV cualifica para subvencións. Considerando os prezos de uso horario (tarifas máis altas nas horas punta, tarifas máis baixas nas horas valle), o custo total de electricidade calcula como:Costo Total=Costo de Compra a la Red−Ingresos por Alimentación a la Red−Subvencións PV

Para un ciclo diario discretizado en n intervalos, o modelo de custo total pode descomporse adicionalmente na suma de custos específicos de intervalo, adaptándose precisamente a escenarios de prezos dinámicos.

Na fórmula: C representa o custo total diario de electricidade do hogar; f_PV é o prezo unitario da subvención de xeración de enerxía fotovoltaica; 24/n é a duración dun intervalo de tempo.
A expresión para f_t na Fórmula (2) é

Na fórmula: f^t_Cé o prezo de electricidade para o usuario durante o t-ésimo período de tempo, que se divide en prezo de electricidade de hora punta e prezo de electricidade de hora valle segundo diferentes períodos de tempo; f_R é o prezo de electricidade para a electricidade excedentaria alimentada á rede. Os valores de f_C^t, f_R e f_PV en calquera momento do día son todos coñecidos. A potencia total P_A^t da carga doméstica é igual á suma da potencia de todas as cargas desplazables e outras cargas durante o t-ésimo período de tempo.

Na fórmula: P_L,i é a potencia de operación da i-ésima carga desplazable; T_L,i é o tempo de arranque da i-ésima carga desplazable; Δ t_i é a duración de operación da i-ésima carga desplazable; [t_i^s, t_i^e] é o rango do tempo de arranque da i-ésima carga desplazable. P_L,i, Δ t_i, t_i^s e t_i^e son todos valores definitivos.

A potencia eléctrica P_else,j^t de outras cargas é coñecida, mentres que a potencia de cargas desplazables cambia segundo diferentes tempos de arranque, e T_L,i é un valor indeterminado. Cando T_L,i é diferente, a potencia total P_A^t da carga doméstica cambia en consecuencia, cambiando así o custo total de electricidade do hogar C.

3.2 Estratexia de Control

O obxectivo central da xestión de eficiencia enerxética doméstica é maximizar os beneficios económicos, especificamente traducido en construír unha función obxectivo para "minimizar o custo total de electricidade do hogar C".

Baseándose no modelo de carga desplazable e combinándoo co mecanismo de prezos de uso horario, axustar o tempo de arranque \(T_{\text{L},i}\) das cargas desplazables pode optimizar dinámicamente a curva de potencia total da carga doméstica, reducindo o custo total desde a perspectiva do timing de consumo de electricidade.

Lóxica de Control Coordinado para PV e Almacenamento de Enerxía

Para a xeración de enerxía fotovoltaica (PV) e as baterías de almacenamento, formulanse estratexias de control para diferentes períodos de tempo:

• Períodos Puntas: Priorizar o consumo completo da xeración de enerxía PV. Se a saída PV > potencia de carga, a electricidade excedentaria alimentase á rede para ingresos. Se a saída PV < potencia de carga, a batería priorízase para o suministro de enerxía (cando o estado de carga da batería > valor mínimo). Cando a batería está agotada, a parte insuficiente complementase coa rede.

• Períodos de Valle: A batería carga ao máximo poder de carga para almacenamento. Toda a electricidade de carga suministrase coa rede, utilizando a electricidade barata de horas valle para "llenar o valle" e almacenar enerxía para períodos puntas.

Restriccións de Batería

É necesario considerar simultaneamente os límites de potencia de carga/descarga e as restricións de capacidade da batería para restrinxir os comportamentos de carga e descarga (restricións específicas necesitan ser complementadas con fórmulas/modelos, non presentadas completamente no texto orixinal), asegurando a seguridade do equipo e a estabilidade do sistema.

Na Fórmula (6): P_b,max é a potencia máxima de carga/descarga da batería; na Fórmula (7), SOC^t é o estado de carga (SOC) da batería durante o t-ésimo período de tempo; SOC_min é o valor mínimo do SOC da batería; SOC_max é o valor máximo do SOC da batería.

Segundo a estratexia de control, optimizar e controlar a potencia de carga/descarga da batería de almacenamento. Durante o período punta t &isin;[t₁, t₂, onde t₁ é o tempo de inicio do período punta de electricidade e t₂ é o tempo final do período punta de electricidade, a potencia de descarga da batería establecese como

Durante o período de valle t &isin; [1, t₁], a potencia de descarga da batería de almacenamento establecese como

É necesario calcular o estado de carga (SOC) da batería de almacenamento. A relación entre o estado de carga durante o proceso de carga y descarga da batería de almacenamento e a potencia de carga/descarga é a seguinte:

A Fórmula (10) describe a relación entre o SOC da batería de almacenamento e a potencia de carga durante a carga (aquí P_b^t ＜ 0; A Fórmula (11) describe que durante a descarga (aquí P_b^t ＞ 0. SOC^{t + 1} é o SOC no (t + 1)º período; &sigma; (taxa de autodescarga, case 0% para pequenos intervalos de tempo), &eta;_ch (eficiencia de carga), &eta;_dis (eficiencia de descarga) e E_b,max (capacidade máxima) son parámetros da batería. En resumo, a optimización de eficiencia enerxética doméstica ten como obxectivo minimizar o custo total de electricidade determinando os tempos de inicio das cargas desplazables e a potencia de carga/descarga do almacenamento de enerxía en cada momento, expresado como:

Función Obxectivo

Condicións de Restricción

<