Penelitian tentang Strategi Manajemen Efisiensi Energi Rumah Tangga Berbasis Pembangkit PV Terdistribusi dan Sistem Penyimpanan Energi
1 Sistem Rumah Pintar Berbasis ZigBee
Dengan perkembangan terus-menerus teknologi komputer dan teknologi kontrol informasi, rumah pintar telah berkembang dengan cepat. Rumah pintar tidak hanya mempertahankan fungsi hunian tradisional tetapi juga memungkinkan pengguna untuk mengelola perangkat rumah dengan mudah. Bahkan di luar rumah, pengguna dapat memantau status internal secara jarak jauh, memudahkan manajemen efisiensi energi rumah dan meningkatkan kualitas hidup secara signifikan.
Makalah ini merancang sistem rumah pintar berbasis ZigBee, yang terdiri dari tiga komponen: jaringan rumah, server rumah, dan terminal seluler. Sistem ini sederhana, efisien, dan sangat dapat ditingkatkan, dengan strukturnya ditunjukkan pada Gambar 1.
1 Arsitektur Rumah Pintar Berbasis ZigBee
1.1 Jaringan Rumah
Sebagai fondasi inti, jaringan rumah menghubungkan beban yang dapat dikontrol sebagai node untuk transmisi data internal dan manajemen multi-energi. Memilih solusi nirkabel (ZigBee) daripada kabel meningkatkan fleksibilitas, keandalan, dan skalabilitas. ZigBee, yang dibangun berdasarkan IEEE 802.15.4, menawarkan biaya, daya, dan kompleksitas rendah dengan keamanan tinggi. Chipnya yang terjangkau mengurangi biaya perangkat keras sistem. Jaringan tersebut mencakup:
1.2 Server Rumah
Server bertindak sebagai "inti data-kontrol" sistem, menangani:
1.3 Terminal Seluler
Berbasis Android (Eclipse + Java), terminal memungkinkan:
2 Desain Manajemen Efisiensi Energi Rumah
2.1 Arsitektur & Logika Sistem
Integrasi "rumah pintar + PV + penyimpanan energi", sistem ini menyematkan strategi efisiensi di server, membentuk loop "mengumpulkan → model → optimalkan":
2.2 Komponen Inti & Kolaborasi
Komponen utama (array PV, baterai, inverter, server, beban) bekerja sebagai:
2.3 Klasifikasi & Penjadwalan Beban
Beban dibagi menjadi tiga jenis untuk penjadwalan yang didorong oleh tarif berdasarkan waktu penggunaan:
Server mengontrol beban yang dapat dipindahkan melalui soket pintar, memangkas puncak/mengisi lembah untuk mengurangi biaya dan menstabilkan jaringan.
3 Model Matematika dan Strategi Kontrol untuk Manajemen Efisiensi Energi Rumah
3.1 Model Matematika untuk Manajemen Efisiensi Energi Rumah
Untuk mencapai manajemen efisiensi energi rumah yang tepat, harus dibuat model matematika untuk total biaya listrik. Makalah ini menggunakan siklus kontrol "harian", membagi 24 jam menjadi n interval waktu yang sama. Dengan mendiskritisasi masalah kontinu (ketika n cukup besar, setiap interval mendekati "elemen mikro", dan variabel dapat diasumsikan konstan dalam interval). Dalam interval ke-t, berdasarkan keseimbangan dinamis "daya beban rumah, daya pembangkit fotovoltaik, daya pengisian/pengosongan baterai, dan daya interaksi jaringan", persamaan keseimbangan daya sistem diturunkan sebagai:
Dalam interval waktu ke-t, variabel daya didefinisikan sebagai berikut:
Sistem PV rumah beroperasi di bawah model ""konsumsi sendiri + surplus daya ke jaringan"", di mana surplus listrik menghasilkan pendapatan dari penyuntikan ke jaringan dan pembangkitan PV memenuhi syarat untuk subsidi. Dengan mempertimbangkan tarif berdasarkan waktu penggunaan (tarif puncak lebih tinggi, tarif off-peak lebih rendah), total biaya listrik dihitung sebagai:Total Biaya=Biaya Pembelian dari Jaringan−Pendapatan Penyuntikan ke Jaringan−Subsidi PV
Untuk siklus harian yang didiskritisasi menjadi n interval, model total biaya dapat lebih diuraikan menjadi jumlah biaya spesifik interval, menyesuaikan diri secara presisi dengan skenario penentuan harga dinamis.
Dalam rumus: C mewakili total biaya listrik harian rumah tangga; fPV adalah harga satuan subsidi pembangkitan tenaga fotovoltaik; 24/n adalah durasi satu interval waktu.
Ekspresi untuk ft dalam Rumus (2) adalah
Dalam rumus: ftC adalah harga listrik untuk pengguna selama periode waktu ke-t, yang dibagi menjadi harga listrik puncak dan harga listrik off-peak sesuai dengan periode waktu yang berbeda; fR adalah harga listrik untuk surplus listrik yang disuntikkan ke jaringan. Nilai-nilai fCt, fR dan fPV pada setiap saat dalam sehari semuanya diketahui. Total daya PAt beban rumah tangga sama dengan jumlah daya semua beban yang dapat dipindahkan dan beban lainnya selama periode waktu ke-t.
Dalam rumus: PL,i adalah daya operasi beban yang dapat dipindahkan ke-i; TL,i adalah waktu mulai beban yang dapat dipindahkan ke-i; Δ ti adalah durasi operasi beban yang dapat dipindahkan ke-i; [tis, tie] adalah rentang waktu mulai beban yang dapat dipindahkan ke-i. PL,i, Δ ti, tis dan tie semuanya merupakan nilai pasti.
Daya listrik Pelse,jt dari beban lainnya diketahui, sementara daya listrik beban yang dapat dipindahkan berubah sesuai dengan waktu mulai yang berbeda, dan TL,i adalah nilai yang belum ditentukan. Ketika TL,i berbeda, total daya PAt beban rumah tangga berubah sesuai, sehingga mengubah total biaya listrik rumah tangga C.
3.2 Strategi Kontrol
Tujuan inti dari manajemen efisiensi energi rumah adalah memaksimalkan manfaat ekonomi, secara khusus diterjemahkan menjadi pembangunan fungsi objektif untuk "meminimalkan total biaya listrik rumah tangga C".
Berdasarkan model beban yang dapat dipindahkan dan dikombinasikan dengan mekanisme tarif berdasarkan waktu penggunaan, menyesuaikan waktu mulai \(T_{\text{L},i}\) beban yang dapat dipindahkan dapat mengoptimalkan kurva daya total beban rumah tangga secara dinamis, mengurangi total biaya dari sudut pandang waktu konsumsi listrik.
Logika Kontrol Koordinasi untuk PV dan Penyimpanan Energi
Untuk pembangkitan tenaga fotovoltaik (PV) dan baterai penyimpanan energi, strategi kontrol dibuat untuk periode waktu yang berbeda:
Batasan Baterai
Perlu mempertimbangkan batasan daya pengisian/pengosongan dan kapasitas baterai secara bersamaan untuk membatasi perilaku pengisian dan pengosongannya (batasan spesifik perlu dilengkapi dengan rumus/model, tidak sepenuhnya disajikan dalam teks asli), memastikan keamanan peralatan dan stabilitas sistem.
Dalam Rumus (6): Pb,max adalah daya pengisian/pengosongan maksimum baterai; dalam Rumus (7), SOCt adalah keadaan muatan (SOC) baterai selama periode waktu ke-t; SOCmin adalah nilai minimum SOC baterai; SOCmax adalah nilai maksimum SOC baterai.
Menurut strategi kontrol, optimalkan dan kendalikan daya pengisian/pengosongan baterai penyimpanan energi. Selama periode puncak t ∈[t1, t2, di mana t1 adalah waktu mulai periode puncak listrik dan t2 adalah waktu akhir periode puncak listrik, daya pengosongan baterai ditetapkan sebagai
Selama periode off-peak t ∈ [1, t1], daya pengosongan baterai penyimpanan ditetapkan sebagai
Perlu menghitung keadaan muatan (SOC) baterai penyimpanan. Hubungan antara keadaan muatan selama proses pengisian dan pengosongan baterai penyimpanan dengan daya pengisian/pengosongan adalah sebagai berikut:
Rumus (10) menjelaskan hubungan antara SOC baterai penyimpanan dan daya pengisian selama pengisian (di sini Pbt ＜ 0; Rumus (11) menjelaskan bahwa selama pengosongan (di sini Pbt ＞ 0. SOCt + 1 adalah SOC pada periode ke-t + 1; σ (tingkat pengosongan sendiri, hampir 0% untuk interval waktu kecil), ηch (efisiensi pengisian), ηdis (efisiensi pengosongan), dan Eb,max<
