Ricerca sulla strategia di gestione dell'efficienza energetica domestica basata su impianti fotovoltaici distribuiti e sistemi di accumulo di energia

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Campo: Analisi del trasformatore

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1 Sistema Domestico Intelligente Basato su ZigBee

Con lo sviluppo continuo della tecnologia informatica e del controllo dell'informazione, le case intelligenti si sono evolute rapidamente. Le case intelligenti non solo mantengono le funzioni abitative tradizionali, ma consentono anche agli utenti di gestire comodamente i dispositivi domestici. Anche quando si è fuori casa, gli utenti possono monitorare a distanza lo stato interno, facilitando la gestione dell'efficienza energetica e migliorando significativamente la qualità della vita.

Questo articolo progetta un sistema domestico intelligente basato su ZigBee, composto da tre componenti: rete domestica, server domestico e terminale mobile. Il sistema è semplice, efficiente e altamente scalabile, con la sua struttura mostrata nella Figura 1.

1 Architettura del Sistema Domestico Intelligente Basato su ZigBee
1.1 Rete Domestica

Come fondamento centrale, la rete domestica connette carichi controllabili come nodi per la trasmissione dei dati interni e la gestione multi-energetica. L'adozione di soluzioni wireless (ZigBee) rispetto a quelle cablate aumenta flessibilità, affidabilità e scalabilità. ZigBee, basato su IEEE 802.15.4, offre bassi costi, consumo energetico e complessità con alta sicurezza. I suoi chip economici riducono i costi hardware del sistema. La rete include:

Coordinatore: Gestisce la rete ZigBee (basato su CC2530, compilato con IAR), coprendo case tipiche attraverso una topologia direttamente connessa.
Nodi Terminali: Integrati con misuratori/relè (come prese intelligenti), raccoglie dati ed esegue comandi per la chiusura "controllo + monitoraggio".

1.2 Server Domestico

Il server agisce come il "nucleo di controllo dei dati" del sistema, gestendo:

Hub Dati: Scambia informazioni tra ZigBee (tramite porta seriale) e terminali mobili (tramite Socket).
Monitoraggio Operativo: Traccia lo stato del carico, controlla gli interruttori e memorizza i dati elettrici.
Cervello dell'Efficienza Energetica: Analizza i dati del carico/fotovoltaico per ottimizzare la pianificazione, chiudendo il ciclo di gestione energetica.

1.3 Terminale Mobile

Basato su Android (Eclipse + Java), il terminale consente:

Visibilità dello Stato: Visualizzazione in tempo reale delle informazioni elettriche spinte dal server.
Controllo Remoto: Invia comandi per controllare indirettamente i carichi.
Pianificazione Flessibile: Imposta tempi personalizzati per i carichi (ad esempio, per tariffe orarie).

2 Progettazione della Gestione dell'Efficienza Energetica Domestica
2.1 Architettura e Logica del Sistema

Integrando "casa intelligente + fotovoltaico + stoccaggio", il sistema incorpora strategie di efficienza nel server, formando un ciclo "raccolta → modello → ottimizzazione":

Livello Dati: Combina i dati del carico e fotovoltaici.
Livello Modello: Bilancia l'uso del fotovoltaico, lo stoccaggio e il carico attraverso schemi ottimali.
Livello Controllo: Coordinando le operazioni fotovoltaiche/stoccaggio e la pianificazione del carico per obiettivi "costo-efficienza" (struttura nella Figura 2).

2.2 Componenti Chiave e Collaborazione

I componenti chiave (pannelli fotovoltaici, batterie, inversori, server, carichi) lavorano come:

Pannelli Fotovoltaici: Abilitati MPPT tramite inversori, trasmettono l'output in tempo reale al server.
Stoccaggio Energetico: Connesso alla rete, si carica durante il surplus fotovoltaico e si scarica durante le carenze (misurato per l'interazione con la rete).
Server: Collega inversori/prese, regolando i dispositivi secondo regole di efficienza per ottimizzare il flusso di energia.

2.3 Classificazione e Pianificazione del Carico

I carichi sono suddivisi in tre tipi per la pianificazione guidata dalle tariffe orarie:

Carichi Critici (ad esempio, illuminazione): A tempo fisso, non regolabili.
Carichi Regolabili (ad esempio, condizionatori): Domanda variabile, potenza regolabile.
Carichi Spostabili (ad esempio, lavatrici): Flessibili nel tempo, centrali per l'efficienza.

Il server controlla i carichi spostabili tramite prese intelligenti, tagliando i picchi e riempiendo i vuoti per ridurre i costi e stabilizzare la rete.

3 Modello Matematico e Strategia di Controllo per la Gestione dell'Efficienza Energetica Domestica
3.1 Modello Matematico per la Gestione dell'Efficienza Energetica Domestica

Per raggiungere una gestione precisa dell'efficienza energetica domestica, deve essere stabilito un modello matematico per il costo totale dell'elettricità. Questo articolo utilizza un ciclo di controllo "quotidiano", dividendo 24 ore in n intervalli temporali uguali. Discretizzando problemi continui (quando n è sufficientemente grande, ogni intervallo si avvicina a un "micro-elemento" e le variabili possono essere considerate costanti all'interno dell'intervallo). Nel t-esimo intervallo, sulla base dell'equilibrio dinamico di "potenza del carico domestico, potenza generata fotovoltaica, potenza di carica/scarica della batteria e potenza di interazione con la rete", l'equazione di bilancio del sistema di potenza è derivata come:

Nell'intervallo di tempo t, le variabili di potenza sono definite come segue:

$P_{G t}$ : Potenza di interazione con la rete (positiva per l'assorbimento di potenza, negativa per l'iniezione di potenza);
$P A t$ : Potenza totale del carico domestico;
$P b t$ : Potenza di carica/scarica della batteria (positiva per la scarica, negativa per la carica);
$P PV t$ : Potenza di output fotovoltaico (influenzata dall'irradiazione solare, temperatura, umidità, ecc., e prevedibile tramite modelli di previsione della potenza fotovoltaica).

Il sistema fotovoltaico domestico opera sotto il modello "autoconsumo + iniezione di eccesso in rete", dove l'eccesso di elettricità genera ricavi per l'iniezione in rete e la generazione fotovoltaica qualifica per sussidi. Considerando le tariffe orarie (tariffe più alte in punta, tariffe più basse in fuori punta), il costo totale dell'elettricità è calcolato come:Costo Totale=Costo d'Acquisto dalla Rete−Ricavi per Iniezione in Rete−Sussidi PV

Per un ciclo giornaliero discretizzato in n intervalli, il modello di costo totale può essere ulteriormente decomposto nella somma dei costi specifici degli intervalli, adattandosi precisamente a scenari di prezzi dinamici.

Nella formula: C rappresenta il costo totale giornaliero dell'elettricità per la casa; f_PV è il prezzo unitario del sussidio per la generazione di energia fotovoltaica; $24/n$ è la durata di un intervallo temporale.
L'espressione per $f t$ nella Formula (2) è

Nella formula: $f t$ _C è il prezzo dell'elettricità per l'utente durante il t-esimo periodo, che è diviso in prezzo dell'elettricità in punta e prezzo dell'elettricità fuori punta in base a diversi periodi; $f R$ è il prezzo dell'elettricità per l'eccesso iniettato in rete. I valori di $f C t$ , $f R$ e $f PV$ in qualsiasi momento del giorno sono noti. La potenza totale $P A t$ del carico domestico è uguale alla somma della potenza di tutti i carichi spostabili e altri carichi durante il t-esimo periodo.

Nella formula: $P L,i$ è la potenza operativa dell'i-esimo carico spostabile; $T L,i$ è l'ora di accensione dell'i-esimo carico spostabile; Δ $t i$ è la durata di funzionamento dell'i-esimo carico spostabile; $[t i s, t i e]$ è l'intervallo di ora di accensione dell'i-esimo carico spostabile. $P L,i$ , Δ $t i$ , $t i s$ e $t i e$ sono tutti valori definiti.

La potenza elettrica $P else,j t$ degli altri carichi è nota, mentre la potenza elettrica dei carichi spostabili cambia in base a diverse ore di accensione, e $T L,i$ è un valore indeterminato. Quando $T L,i$ è diverso, la potenza totale $P A t$ del carico domestico cambia di conseguenza, modificando così il costo totale dell'elettricità domestica $C$ .

3.2 Strategia di Controllo

L'obiettivo principale della gestione dell'efficienza energetica domestica è massimizzare i benefici economici, specificamente tradotto nella costruzione di una funzione obiettivo per "minimizzare il costo totale dell'elettricità domestica $C$ ".

In base al modello di carico spostabile e combinato con il meccanismo di tariffe orarie, regolare l'ora di accensione $T_{\text{L},i}$ dei carichi spostabili può ottimizzare dinamicamente la curva di potenza totale del carico domestico, riducendo il costo totale dal punto di vista del timing del consumo elettrico.

Logica di Controllo Coordinato per PV e Accumulo Energetico

Per la generazione di energia fotovoltaica (PV) e le batterie di accumulo, sono formulati piani di controllo per diversi periodi:

Periodi di Punta: Si priorizza il consumo completo della generazione fotovoltaica. Se l'output PV > potenza del carico, l'eccesso di elettricità viene iniettato in rete per ricavi. Se l'output PV < potenza del carico, si priorizza l'approvvigionamento della batteria (quando la carica della batteria > valore minimo). Quando la batteria è esaurita, la parte insufficiente è integrata dalla rete.
Periodi Fuori Punta: La batteria viene caricata con la massima potenza di carica per l'accumulo. Tutta l'elettricità del carico è fornita dalla rete, utilizzando l'elettricità a basso costo fuori punta per "riempire la valle" e accumulare energia per i periodi di punta.

Vincoli della Batteria

È necessario considerare contemporaneamente i limiti di potenza di carica/scarica e le restrizioni di capacità della batteria per vincolarne i comportamenti di carica e scarica (vincoli specifici devono essere integrati con formule/modelli, non completamente presentati nel testo originale), assicurando la sicurezza dell'equipaggiamento e la stabilità del sistema.

Nella Formula (6): $P b,max$ è la massima potenza di carica/scarica della batteria; nella Formula (7), $SOC t$ è lo stato di carica (SOC) della batteria durante il t-esimo periodo; $SOC min$ è il valore minimo dello SOC della batteria; $SOC max$ è il valore massimo dello SOC della batteria.

Secondo la strategia di controllo, ottimizzare e controllare la potenza di carica/scarica della batteria di accumulo. Durante il periodo di punta $t \in[t 1, t 2$ , dove $t 1$ è l'ora di inizio del periodo di punta e $t 2$ è l'ora di fine del periodo di punta, la potenza di scarica della batteria è impostata come

Durante il periodo fuori punta $t \in [1, t 1]$ , la potenza di scarica della batteria di accumulo è impostata come

È necessario calcolare lo stato di carica (SOC) della batteria di accumulo. La relazione tra lo stato di carica durante il processo di carica e scarica della batteria di accumulo e la potenza di carica/scarica è la seguente:

La Formula (10) descrive la relazione tra lo stato di carica della batteria di accumulo e la potenza di carica durante la carica (qui $P b t ＜ 0$ ; la Formula (11) descrive che durante la scarica (qui $P b t ＞ 0$ . $SOC t + 1$ è lo stato di carica nel periodo t + 1; σ (tasso di autodiscesa, quasi 0% per intervalli di tempo brevi), η_ch (efficienza di carica), η_$dis$ (efficienza di scarica) e $E b,max$ (capacità massima) sono parametri della batteria. In sintesi, l'ottimizzazione dell'efficienza energetica domestica mira a minimizzare il costo totale dell'elettricità determinando le ore di accensione dei carichi spostabili e la potenza di carica/scarica dell'accumulo in ogni momento, enunciato come: