Pētījums par mājsaimniecības enerģijas efektivitātes pārvaldības stratēģiju, balstoties uz sadalītajām PV elektrām un ESS

Echo

Lauks: Transformatoru analīze

China

1 ZigBee - balstīta mājsaimniecības sistēma

Ar datoru tehnoloģiju un informācijas kontrolēšanas tehnoloģiju nepārtraukto attīstību, intelģentās mājsaimniecības strauji evolūcioni. Intelģentās mājsaimniecības ne tikai saglabā tradicionālās dzīvesvietas funkcijas, bet arī ļauj lietotājiem droši pārvaldīt mājas ierīces. Pat ārpus mājas, lietotāji var attālināti monitorēt iekšējo stāvokli, veicinot mājas enerģijas efektivitātes pārvaldību un būtiski uzlabojot dzīves kvalitāti.

Šajā rakstā ir izstrādāta ZigBee - balstīta mājsaimniecības sistēma, kas sastāv no trim komponentiem: mājas tīkls, mājas serveris un mobilais terminālis. Sistēma ir vienkārša, efektīva un augsti skalējama, ar savu struktūru parādītu Attēlā 1.

1 ZigBee - balstītās mājsaimniecības arhitektūra
1.1 Mājas tīkls

Kā galvenais pamats, mājas tīkls savieno kontrolierus kā mezglus iekšējam datu pārraidē un daudzenerģijas pārvaldībai. Izvēloties bezvadu (ZigBee) risinājumu pret vadvadu risinājumiem, palielinās elastība, uzticamība un skalējamība. ZigBee, kas balstīts uz IEEE 802.15.4, piedāvā zemu izmaksu, enerģiju un sarežģītību, līdz ar to nodrošinot augstu drošību. Tā pieejamie čipi samazina sistēmas aparatūras izmaksas. Tīkls ietver:

Koordinatoru: Pārvalda ZigBee tīklu (balstoties uz CC2530, IAR - kompilēts), kas aptver tipiskas mājas caur tiešsaistes topoloģiju.
Terminālo mezglus: Integrēti ar rēķināšanu/pārslēgumiem (kā intelģenti kontakti), apkopo datus un izpilda komandas "kontrole + monitorings" cikla nolūkos.

1.2 Mājas serveris

Serveris darbojas kā sistēmas "datu - kontrolēšanas centrāls", apstrādājot:

Datu centrāls: Apmaina informāciju starp ZigBee (caur seriālo portu) un mobiliem termināļiem (caur Socket).
Darbības monitorings: Seko slodzes stāvoklim, kontrolē pārslēgumus un saglabā elektroenerģijas datus.
Enerģijas efektivitātes mākoņdaris: Analizē slodzes/fotovoltājdatu, lai optimizētu plānošanu, noslēdzot enerģijas pārvaldības ciklu.

1.3 Mobils terminālis

Balstoties uz Android (Eclipse + Java), terminālis ļauj:

Stāvokļa redzamību: Reāllaika atspoguļošana servera piešķirtajiem elektroenerģijas datiem.
Attālinātu pārvaldību: Nosūta komandas, lai netieši kontrolētu slodzes.
Elastīgu plānošanu: Iestata pielāgotus slodžu laikus (piemēram, lai ņemtu vērā enerģijas tarifus).

2 Mājas enerģijas efektivitātes pārvaldības dizains
2.1 Sistēmas arhitektūra un loģika

Integrējot "intelģento māju + PV + enerģijas krātuvi", sistēma iebūvē efektivitātes stratēģijas serverī, veidojot "apkopošana → modeļis → optimizācija" ciklu:

Datu slānis: Apvieno slodzes un PV datus.
Modela slānis: Līdzsvaro PV izmantošanu, krātuvi un slodzi optimālajās shēmās.
Kontroles slānis: Koordinē PV/krātuves darbību un slodžu plānošanu, lai sasniegtu "izmaksu efektivitātes" mērķus (struktūra Attēlā 2).

2.2 Galvenie komponenti un sadarbība

Galvenie komponenti (PV masīvi, akumulatori, invertori, serveris, slodzes) darbojas šādi:

PV Masīvi: MPPT iespējoti caur invertoriem, pārraida reāllaika iznākumu serverim.
Enerģijas krātuve: Savienota ar tīklu, uzlādē PV pārsnieguma laikā un atlādē trūkuma laikā (apmērita tīkla interakcijai).
Serveris: Saista invertorus/kontaktus, pielāgo ierīces efektivitātes noteikumiem, lai optimizētu enerģijas plūsmu.

2.3 Slodzi klasifikācija un plānošana

Slodzi sadalītas trīs veidos, lai ietvertu laika tarifu vadītu plānošanu:

Kritiskas slodzes (piemēram, apgaismojums): Fiksēts laiks, neatkārtojams.
Pielāgotas slodzes (piemēram, kondicionieris): Mainīga pieprasījuma, jauda regulējama.
Pārvietojamas slodzes (piemēram, matu tīrītājs): Laika elastīgas, būtiskas efektivitātei.

Serveris kontrolē pārvietojamas slodzes caur intelģentiem kontaktiem, samazinot virsūdes un aizpildot lejasnovas, lai samazinātu izmaksas un stabilizētu tīklu.

3 Matemātisks modelis un kontrolēšanas stratēģija mājas enerģijas efektivitātes pārvaldībai
3.1 Matemātisks modelis mājas enerģijas efektivitātes pārvaldībai

Lai sasniegtu precīzu mājas enerģijas efektivitātes pārvaldību, jāizveido $n$ matemātisks modelis kopējām elektroenerģijas izmaksām. Šajā rakstā tiek izmantots "katrdienas" kontrolēšanas cikls, sadalot 24 stundas $n$ vienādos laika intervālos. Diskretizējot nepārtrauktu problēmu (kad $n$ ir pietiekami liels, katrs intervāls tuvojas "mikroelementam", un mainīgie var tikt uzskatīti par konstantiem intervālā). $t$ -ajā intervālā, balstoties uz dinamisko līdzsvaru "mājas slodzes jauda, fotovoltaikas ģenerētāja jauda, akumulatora uzlādēšanas/atlādēšanas jauda un tīkla interakcijas jauda", sistēmas jaudas līdzsvara vienādojums tiek izvedots kā:

$t$ -ajā laika intervālā jaudas mainīgie tiek definēti šādi:

$P_{G t}$ : Tīkla interakcijas jauda (pozitīva, ja tiek absorbt jauda, negatīva, ja tiek injicēta jauda);
$P A t$ : Kopējā mājas slodzes jauda;
$P b t$ : Akumulatora uzlādēšanas/atlādēšanas jauda (pozitīva, ja tiek atlādēta, negatīva, ja tiek uzlādēta);
$P PV t$ : Fotovoltaikas (PV) iznākuma jauda (ievērojama saulešanas intensitāte, temperatūra, mitruma un citi faktori, un prognozējama ar PV jaudas prognozēšanas modeļiem).

Mājas PV sistēma darbojas "patēriņa + pārsnieguma jaudas tīklā " modelī, kur pārsnieguma elektroenerģija ļauj iegūt tīkla piegādes ieņēmumus un PV ģenerētājs iegūst subsīdijas. Ņemot vērā laika tarifus (augstākas virsūdes tarifi, zemākas lejasnovas tarifi), kopējās elektroenerģijas izmaksas tiek aprēķinātas kā:Kopējie izdevumi=Tīkla pirkuma izdevumi−Tīkla piegādes ieņēmumi−PV subsīdijas

Izvērtējot katrdienas ciklu, kas diskretizēts $n$ intervālos, kopējais izmaksu modelis var tikt tālāk sadalīts intervālu specifiskajos izdevumos, precīzi pielāgojoties dinamiskiem cenām.

Formulā: $C$ pārstāv kopējos katrdienas mājas elektroenerģijas izdevumus; f_PV ir fotovoltaikas jaudas ģenerēšanas subsīdijas cena; $24/n$ ir viena laika intervāla ilgums.
Izteiksme $f t$ Formula (2) ir

Formulā: $f t$ _C ir lietotāja elektrības cena $t$ -ajā laika periodā, kas dalīts uz virsūdes laika elektrības cenu un lejasnovas laika elektrības cenu atkarībā no dažādiem laika periodiem; $f R$ ir pārsnieguma elektrības cena, ko tiek injicēta tīklā. Vērtības $f C t$ , $f R$ un $f PV$ jebkurā dienas brīdī ir zināmas. Kopējā mājas slodzes jauda $P A t$ ir vienāda ar visu pārvietojamo slodzi un citu slodzi $t$ -ajā laika periodā.

Formulā: $P L,i$ ir $i$ -tā pārvietojamā slodzes darbības jauda; $T L,i$ ir $i$ -tā pārvietojamā slodzes darbības laiks; Δ $t i$ ir $i$ -tā pārvietojamā slodzes darbības ilgums; $[t i s, t i e]$ ir $i$ -tā pārvietojamā slodzes darbības laika diapazons. $P L,i$ , Δ $t i$ , $t i s$ un $t i e$ ir noteiktas vērtības.

Citas slodzes jauda $P else,j t$ ir zināma, savukārt pārvietojamo slodzi jauda mainās atkarībā no dažādiem darbības laikiem, un $T L,i$ ir nenoteikta vērtība. Kad $T L,i$ ir atšķirīgs, mājas slodzes kopējā jauda $P A t$ atbilstoši mainās, tādējādi mainot mājas kopējos elektroenerģijas izdevumus $C$ .

3.2 Kontrolēšanas stratēģija

Mājas enerģijas efektivitātes pārvaldības galvenais mērķis ir maksimizēt ekonomiskos labumus, konkrēti, izveidot objektīvo funkciju "samazināt mājas kopējos elektroenerģijas izdevumus $C$ ".

Balstoties uz pārvietojamo slodzi modeļu un kombinējot to ar laika tarifu mehānismu, pārvietojamo slodzi darbības laiku $T_{\text{L},i}$ pielāgošana var dinamiski optimizēt mājas kopējo slodzes jaudas līkni, samazinot kopējos izdevumus no energo patēriņa laika perspektīvas.

Fotovoltaikas un enerģijas krātuves koordinētā kontrole

Fotovoltaikas (PV) jaudas ģenerēšanai un enerģijas krātuves akumulatoriem, kontrolēšanas stratēģijas tiek izstrādātas dažādiem laika periodiem:

Virsūdes periodi: Prioritāte ir pilnīgai PV jaudas ģenerēšanas patēriņam. Ja PV iznākums > slodzes jauda, pārsnieguma elektroenerģija tiek injicēta tīklā, lai iegūtu ieņēmumus. Ja PV iznākums < slodzes jauda, prioritāte ir akumulatora jaudai (ja akumulatora lādēšanas stāvoklis > minimālā vērtība). Kad akumulators ir iztukšināts, trūkstošā daļa tiek papildināta no tīkla.
Lejasnovas periodi: Akumulators tiek uzlādēts ar maksimālo uzlādēšanas jaudu, lai enerģijas krātuve. Visas slodzes elektroenerģija tiek piegādāta no tīkla, izmantojot zemas cenas lejasnovas elektroenerģiju, lai "aizpildītu lejasnovas" un saglabātu enerģiju virsūdes periodiem.

Akumulatora ierobežojumi

Ir jāņem vērā akumulatora uzlādēšanas/atlādēšanas jaudas ierobežojumi un kapacitātes ierobežojumi, lai ierobežotu tā uzlādēšanas/atlādēšanas darbību (konkrētie ierobežojumi jāpapildina ar formulām/modeļiem, nav pilnībā sniegti oriģinālā tekstā), nodrošinot iekārtu drošību un sistēmas stabilitāti.