Истражување на стратегија за управување со енергетска ефикасност во домашни услови базирано на распределени ПВ натоварувачи и ЕСС

1 Система за интелигентен дом базирана на ZigBee

Со непрекинатото развој на компјутерската технологија и информатичката контролна технологија, интелигентните домови се брзо развиваат. Интелигентните домови не само ги задржуваат традиционалните функции на жилиштата, туку и овозможуваат на корисниците да лесно управуваат со домашните уреди. Дури и надвор од дома, корисниците можат да го мониторираат внатрешниот статус на далечина, што овозможува ефикасна управа со енергијата во домот и значително подобрува квалитетот на живот.

Овој труд дизајнира систем за интелигентен дом базиран на ZigBee, кој се состои од три компоненти: домашна мрежа, домашен сервер и мобилен терминал. Системот е прост, ефикасен и високо скалабелен, со својата структура прикажана на Слика 1.

1 Архитектура на системот за интелигентен дом базиран на ZigBee
1.1 Домашна мрежа

Како основа, домашната мрежа поврзува контролирани оптоварувања како чворови за внатрешна преносна на податоци и управа со многу енергии. Изборот на безжични (ZigBee) пред поврзани решенија го зголемува флексибилноста, надежноста и скалабилноста. ZigBee, изграден на IEEE 802.15.4, нуди ниски трошоци, мощност и комплексност со висока безбедност. Ниските трошоци на чиповите ја намалуваат цената на хардверот на системот. Мрежата вклучува:

• Координатор: Управува со мрежата ZigBee (базирана на CC2530, компајлирана со IAR), покрива типични домови преку директна поврзана топологија.

• Крајни чворови: Интегрирани со мерачи/релеи (како интелигентни сокети), собираат податоци и извршуваат команди за “управување + мониторинг” заклучување.

1.2 Домашен сервер

Серверот функционира како “ядро за контрола на податоци” на системот, обезбедувајќи:

• Хаб за податоци: Разменува информации помеѓу ZigBee (преку серијски порт) и мобилни терминали (преку Socket).

• Мониторинг на операциите: Прави следење на статусот на оптоварувањата, управува со превключувачите и чува податоци за електрична енергија.

• Блок за ефикасност на енергијата: Анализира податоци за оптоварување/фотоволтаични системи за оптимизација на планирањето, затварање на циклусот за управување со енергијата.

1.3 Мобилен терминал

Базиран на Android (Eclipse + Java), терминалот овозможува:

• Видливост на статусот: Реално време приказ на информации за електрична енергија пушнети од серверот.

• Далечинско управување: Посиља команди за индиректно управување со оптоварувањата.

• Флексибилно планирање: Поставува настројувања на време за оптоварувањата (напр. за ценова политика според времето).

2 Дизајн на управување со ефикасност на енергијата во домот
2.1 Архитектура и логика на системот

Интегрирајќи “интелигентен дом + PV + чување на енергија”, системот вградува стратегии за ефикасност во серверот, формирајќи “собирај → модел → оптимизира” циклус:

• Слој на податоци: Комбинира податоци за оптоварувања и PV.

• Слој на модел: Балансира користењето на PV, чување и оптоварувања преку оптимални схеми.

• Слој на контрола: Координира операции на PV/чување и планирање на оптоварувањата за цели “соодветни на трошоците” (структура на Слика 2).

2.2 Клучни компоненти и соработка

Клучните компоненти (PV полиња, батерији, инвертори, сервер, оптоварувања) работат како:

• Полиња на PV: Омогува MPPT преку инвертори, пренаса реално време излез кон серверот.

• Чување на енергија: Поврзан со мрежата, се напојува во време на излишок на PV и се исцарапува во време на недостиг (мерено за интеракција со мрежата).

• Сервер: Врзува инвертори/сокети, прилагодува уреди според правилата за ефикасност за оптимизација на потокот на енергија.

2.3 Класификација и планирање на оптоварувањата

Оптоварувањата се поделени на три типа за планирање подтикнување на ценова политика според времето:

• Критични оптоварувања (напр. осветлување): Фиксно време, непроменливи.

• Променливи оптоварувања (напр. климатизатор): Променлива потреба, регулируема мощност.

• Преместливи оптоварувања (напр. пералница): Гибко време, основни за ефикасност.

Серверот контролира преместливи оптоварувања преку интелигентни сокети, скратува врвови/пополнува долини за намалување на трошоците и стабилизација на мрежата.

3 Математички модел и стратегија за управување со ефикасност на енергијата во домот
3.1 Математички модел за управување со ефикасност на енергијата во домот

За да се постигне прецизна управа со ефикасност на енергијата во домот, мора да се изгради математички модел за целокупните трошоци за електрична енергија. Овој труд користи циклус за контрола на “ден”, делејќи 24 часа на n еднакви временски интервали. Со дискретизирање на континуираните проблеми (кога n е доволно голем, секој интервал се приближува до “микро-елемент” и променливите можат да се претпостават константни во интервалот). Во t-тиот интервал, на основа на динамичката балансира на “мощност на домашното оптоварување, мощност на производство на фотоволтаични системи, мощност на напојување/исцарапување на батерија и мощност на интеракција со мрежата,” се изведува равенка за баланса на системската мощност како:

Во t-тиот временски интервал, променливите за мощност се дефинираат како следе:

• P_G^t: Интеракција со мрежата (позитивна за абсорбирана мощност, негативна за инжектирана мощност);

• P_A^t: Целокупна домашна мощност на оптоварување;

• P_b^t: Мощност на напојување/исцарапување на батерија (позитивна за исцарапување, негативна за напојување);

• P_PV^t: Мощност на излез на фотоволтаични (PV) системи (повликано од сончева светлина, температура, влажност итн., и претвидливо преку модели за прогноза на мощност на PV).

Домашниот PV систем функционира под “модел на самопотреба + излишок на енергија во мрежата”, каде што излишокот на електрична енергија генерира приходи од излишокот на енергија во мрежата и производството на PV е квалифицирано за субвенции. Земајќи ги во предвид цените според времето (пикови цени, пониски цени во оф-пикови периоди), целокупните трошоци за електрична енергија се пресметуваат како:Целокупни трошоци=Трошоци за купување од мрежата−Приходи од излишок на енергија во мрежата−Субвенции за PV

За дневен циклус дискретизиран на n интервали, моделот за целокупни трошоци може да се дополнително декомпонира во сумација на трошоци специфични за интервал, точно се прилагодува на динамички сценарија за цените.

Во формулата: C претставува целокупните дневни трошоци за електрична енергија на домакинот; f_PV е единична цена на субвенција за производство на фотоволтаична енергија; 24/n е длабочината на еден временски интервал.
Изразот за f_t во формула (2) е

Во формулата: f^t_C е цената на електрична енергија за корисникот во t-тиот временски период, кој е поделен на пикови цени и оф-пикови цени според различни временски периоди; f_R е цената на излишок на енергија во мрежата. Вредностите на f_C^t, f_R и f_PV во било кој момент на денот се познати. Целокупната мощност P_A^t на домашното оптоварување е еднаква на збирот на мощностите на сите преместливи оптоварувања и други оптоварувања во t-тиот временски период.

Во формулата: P_L,i е оперативна мощност на i-тото преместливо оптоварување; T_L,i е времето на започнување на i-тото преместливо оптоварување; Δ t_i  е временски период на операција на i-тото преместливо оптоварување; [t_i^s, t_i^e] е рангот на времето на започнување на i-тото преместливо оптоварување. P_L,i, Δ t_i, t_i^s и t_i^e се дефинирани вредности.

Електричната мощност P_else,j^t на другите оптоварувања е позната, додека електричната мощност на преместливите оптоварувања се менува според различните временски периоди на започнување, и T_L,i е недефинирана вредност. Кога T_L,i е различна, целокупната мощност P_A^t на домашното оптоварување се менува соодветно, па така се менува и целокупните трошоци за електрична енергија C.

3.2 Стратегија за управување

Основниот цел на управувањето со ефикасност на енергијата во домот е максимизирање на економските блага, конкретно транслирано во изградба на целна функција за "минимизирање на целокупните трошоци за електрична енергија C."

На основа на моделот за преместливи оптоварувања и комбиниран со механизмот за ценова политика според времето, приспособувањето на времето на започнување \(T_{\text{L},i}\) на преместливите оптоварувања може динамично да оптимизира кривата на целокупната домашна мощност, намалувајќи ги целокупните трошоци од гледна точка на времето на потрошувачката активност.

Логика за координирано управување на PV и чување на енергија

За производство на фотоволтаична (PV) енергија и батерији за чување на енергија, стратегии за управување се формираат за различни временски периоди:

• Пикови периоди: Првенство се дава на потполна употреба на производството на PV енергија. Ако излезот на PV > мощност на оптоварување, излишокот на енергија се испорачува во мрежата за приходи. Ако излезот на PV < мощност на оптоварување, батеријата се користи за достава на енергија (кога степенот на напојување на батеријата > минимална вредност). Кога батеријата е исцедена, недостатокот се пополнува од мрежата.

• Оф-пикови периоди: Батеријата се напојува со максимална мощност за чување на енергија. Сите оптоварувања се испорачуваат од мрежата, користејќи ниски цени на оф-пикови периоди за "пополнување на долините" и чување на енергија за пикови периоди.

Ограничувања на батеријата

Необходимо е истовремено да се земат предвид ограничувањата на напоју