Otthoni energiahatékonysági menedzsment stratégia vizsgálata elosztott napelemparkok és energiatároló rendszerek alapján

1 ZigBee - alapú okos otthoni rendszer

A számítástechnika és az információs irányítási technika folyamatos fejlődésével a intelligens otthonok is gyorsan fejlődtek. Az okos otthonok nem csak megtartják a hagyományos lakhatási funkciókat, hanem lehetővé teszik a felhasználók számára, hogy kényelmesen kezelhessék a háztartási eszközöket. Még a ház kívül is a felhasználók távolról figyelhetik a belső állapotot, ami segít a háztartási energiahatékonyság kezelésében, és jelentősen javítja az életminőséget.

Ez a tanulmány egy ZigBee - alapú okos otthoni rendszert tervez, amely három komponensből áll: otthoni hálózat, otthoni szerver és mobil terminál. A rendszer egyszerű, hatékony és nagyon kiterjeszthető, struktúrája látható az 1. ábrán.

1 ZigBee - alapú okos otthoni architektúra
1.1 Otthoni hálózat

Az otthoni hálózat, mint alapvető elem, csatlakoztatja a vezérelhető terheléseket csomópontként a belső adatátvitelhez és a többenergia-kezeléshez. A drótos (ZigBee) megoldás választása a drótnyalábban növeli a rugalmasságot, megbízhatóságot és kiterjeszthetőséget. A ZigBee, amely az IEEE 802.15.4 alapján épült, alacsony költséggel, energiával és összetettséggel, de magas biztonsággal működik. Olcsó chipjei csökkentik a rendszer hardverköltségeit. A hálózat tartalmazza:

• Koordinátor: Kezeli a ZigBee hálózatot (CC2530 - alapú, IAR - fordított), közvetlenül csatlakoztatott topológiával fedezve tipikus otthonokat.

• Végponti csomópontok: Integrált mérő/reléekkel (mint okos foglalók), adatgyűjtés és parancsok végrehajtása a “vezérlés + figyelés” zárásához.

1.2 Otthoni szerver

A szerver a rendszer “adat - vezérlési központja”, amely kezeli a következőket:

• Adatcsere: Információ cseréje a ZigBee (soros porton keresztül) és a mobil terminálok (Socketon keresztül) között.

• Működési figyelés: Terhelési állapot nyomon követése, kapcsolók vezérlése és villamos energia adatok tárolása.

• Energiatakarékossági agy: Terhelési/fotovoltaikus adatok elemzése optimalizált ütemezéshez, az energiakezelési hurok bezárásához.

1.3 Mobil terminál

Android - alapú (Eclipse + Java), a terminál lehetővé teszi a következőket:

• Állapotmegjelenítés: A szerver által leküldött villamos energia információk valós idejű megjelenítése.

• Távoli vezérlés: Parancsok küldése a terhelések közvetett vezérléséhez.

• Rugalmas ütemezés: Egyéni terhelési időpontok beállítása (pl. időszakos díjak).

2 Otthoni energiahatékonysági kezelés tervezése
2.1 Rendszerarchitektúra és logika

A “smart home + PV + energia tárolás” integrálásával a rendszer hatékonysági stratégiákat integrál a szerverbe, formálva egy “gyűjtés → modell → optimalizálás” hurokot:

• Adatszint: Terhelési és fotovoltaikus adatok kombinálása.

• Modellszint: Fotovoltaikus használat, tárolás és terhelés optimális sémák révén történő egyensúlyozása.

• Vezérlőszint: Fotovoltaikus/tárolási műveletek és terhelési ütemezés koordinálása “költséghatékonyság” céljaira (struktúra a 2. ábrán).

2.2 Alapvető komponensek és együttműködés

A kulcsfontosságú komponensek (fotovoltaikus tömbök, akkumulátorok, inverterek, szerver, terhelések) a következőképpen működnek:

• Fotovoltaikus tömbök: MPPT - engedélyezve inverterek révén, valós idejű kimenet továbbítása a szerverre.

• Energia tárolás: Hálózatra kapcsolt, töltése fotovoltaikus túlmaradás esetén, és kiadása hiány esetén (mérés hálózati interakcióhoz).

• Szerver: Inverterek/foglalók összekapcsolása, eszközök igazítása hatékonysági szabályok szerint az energiaáramlás optimalizálása érdekében.

2.3 Terhelés osztályozása és ütemezése

A terhelések három típusra osztódnak időszakos díjak alapján:

• Kritikus terhelések (pl. fényforrás): Fix idő, nem állítható.

• Állítható terhelések (pl. klíma): Változó igény, teljesítménybeállítás.

• Időben eltolható terhelések (pl. mosógép): Időben rugalmas, hatékonyság szempontjából alapvető.

A szerver időben eltolható terheléseket smart foglalók révén vezérel, csúcspontok levágása és völgyek kitöltése a költségek csökkentése és a hálózat stabilizálása érdekében.

3 Matematikai modell és irányítási stratégia az otthoni energiahatékonysági kezeléshez
3.1 Matematikai modell az otthoni energiahatékonysági kezeléshez

A pontos otthoni energiahatékonysági kezelés érdekében létre kell hozni egy matematikai modellt a teljes villamos energia költségek számításához. Ez a tanulmány egy “napi” irányítási ciklust használ, 24 órát n egyenlő időintervallumba osztva. A folytonos problémák diszkrétizálásával (n elegendően nagy, minden intervallum “micro - elem” lesz, a változók konstansok lesznek az intervallumban). A t-edik intervallumban, a “házterhelési teljesítmény, fotovoltaikus generált teljesítmény, akkumulátor töltési/kiadási teljesítmény, és hálózati interakciós teljesítmény” dinamikus egyensúlyának alapján a rendszer teljesítményegyenletet ad:

A t-edik időintervallumban a teljesítményváltozók a következőképpen vannak meghatározva:

• P_G^t: Hálózati interakciós teljesítmény (pozitív a hálózatról való energiafelvétel, negatív a hálózatra való energiabejuttatás);

• P_A^t: Összes háztartási terhelési teljesítmény;

• P_b^t: Akkumulátor töltési/kiadási teljesítmény (pozitív a kiadás, negatív a töltés);

• P_PV^t: Fotovoltaikus (PV) kimeneti teljesítmény (a napfény, a hőmérséklet, a páratartalom stb. befolyásolja, előre jelezhető a PV teljesítmény-előrejelzési modellekkel).

Az otthoni PV rendszer a “self - consumption + surplus power grid - feeding” modellen működik, ahol a túlmaradó energia hálózatra való bejuttatással hozzájárul a bevételhez, és a PV termelés jogosult a támogatásokra. A szakidőszakos díjak (magasabb csúcsszak, alacsonyabb csúcsnapi) figyelembevételével a teljes villamos energia költségek a következőképpen számíthatók:Összes Költség=Hálózatról Vásárolt Költség−Hálózatra Való Bejuttatás Bevétel−PV Támogatások

Egy napi ciklus, amely n intervallumba van diszkrétizálva, a teljes költségmodell tovább bontódik intervallumspecifikus költségek összegeként, pontosan alkalmazkodva a dinamikus díjszabási helyzetekhez.

A képletben: C a napi teljes villamos energia költséget jelenti a háztartás számára; f_PV a fotovoltaikus energia termelési támogatás egységárait jelöli; 24/n az egyes időintervallumok időtartamát jelöli.
A Formula (2) f_t kifejezése:

A képletben: f^t_C a felhasználó számára a t-edik időszakban érvényes villamos energia díját jelöli, amely különböző időszakok szerint csúcsszaki és csúcsnapi díjakra oszlik; f_R a hálózatra való bejuttatás díját jelöli. A f_C^t, f_R és f_PV értékei ismertek a nap bármely pillanatában. A háztartási terhelések teljes P_A^t teljesítménye egyenlő az összes időben eltolható terhelések és más terhelések teljesítményének összegével a t-edik időszakban.

A képletben: P_L,i az i-edik időben eltolható terhelés működési teljesítményét jelöli; T_L,i az i-edik időben eltolható terhelés indítási idejét jelöli; Δ t_i  az i-edik időben eltolható terhelés működési időtartamát jelöli; [t_i^s, t_i^e] az i-edik időben eltolható terhelés indítási időtartományát jelöli. P_L,i, Δ t_i, t_i^s és t_i^e mind definiált értékek.

A más terhelések P_else,j^t teljesítménye ismert, míg az időben eltolható terhelések teljesítménye a különböző indítási idők alapján változik, és T_L,i egy meghatározandó érték. Ha T_L,i eltérő, a háztartási terhelések teljes P_A^t teljesítménye ennek megfelelően változik, így a teljes háztartási villamos energia költsége C is változik.

3.2 Irányítási stratégia

Az otthoni energiahatékonysági kezelés alapvető célja a gazdasági előnyök maximalizálása, konkrétan a “teljes háztartási villamos energia költség minimalizálása C” objektív függvényének megalkotása.

Az időben eltolható terhelési modell alapján, és a szakidőszakos díjak mechanizmusának kombinációjával, az időben eltolható terhelések indítási idejének \(T_{\text{L},i}\) beállításának módosítása dinamikusan optimalizálhatja a teljes háztartási terhelési teljesítmény görbéjét, a villamos energia felhasználás időzítési szempontjából a teljes költség csökkentése érdekében.

Fotovoltaikus és energia tárolás koordinált irányítási logikája

A fotovoltaikus (PV) energia termelés és az energia tárolás akkumulátorai számára különböző időszakokra vonatkozó irányítási stratégiák vannak kialakítva:

• Csúcsszak: A fotovoltaikus energia termelés teljes felhasználásának előnyben részesítése. Ha a PV kimenet > a terhelési teljesítmény, a túlmaradó energia hálózatra való bejuttatásával hozzájárul a bevételhez. Ha a PV kimenet < a terhelési teljesítmény, az akkumulátor a teljesítmény szolgáltatásának előnyben részesítése (ha az akkumulátor töltöttségi szintje > a minimális érték). Ha az akkumulátor kiürül, a hiányos rész a hálózattól kerül pótlásra.

• Csúcsnapi szak: Az akkumulátor a maximális töltési teljesítménnyel tölt, energia tárolásra. Az összes terhelési energia a hálózattól származik, a csúcsnapi alacsony áron a &ldquo;völgy kitöltése&rdquo; és az energia tárolása a csúcsszakok számára.

Akkumulátor korlátozások

Szükséges az akkumulátor töltési/kiadási teljesítményi korlátainak és kapacitási korlátainak figyelembevétele, hogy korlátozzák a töltési és kiadási viselkedését (konkrét korlátok képletek/modellekkel kell kiegészíteni, nem teljesen jelen vannak a forrásban), biztosítva a berendezések biztonságát és a rendszer stabilitását.

A 6. ké