Penyelidikan Strategi Pengurusan Kecekapan Tenaga Rumah Tangga Berdasarkan Tumbuhan PV Teragih dan Sistem Simpanan Tenaga

1 Sistem Smart Home Berasaskan ZigBee

Dengan perkembangan berterusan teknologi komputer dan teknologi kawalan maklumat, rumah pintar telah berkembang dengan cepat. Rumah pintar tidak hanya mengekalkan fungsi perumahan tradisional tetapi juga membolehkan pengguna mengurus peranti rumah dengan mudah. Walaupun di luar rumah, pengguna boleh memantau status dalaman secara jauh, memudahkan pengurusan kecekapan tenaga rumah dan meningkatkan kualiti hidup secara signifikan.

Kertas ini merancang sistem smart home berasaskan ZigBee, yang terdiri daripada tiga komponen: rangkaian rumah, pelayan rumah, dan terminal mudah alih. Sistem ini ringkas, cekap, dan sangat boleh diperluas, dengan strukturnya ditunjukkan dalam Gambar 1.

1 Arsitektur Smart Home Berasaskan ZigBee
1.1 Rangkaian Rumah

Sebagai asas utama, rangkaian rumah menghubungkan beban yang boleh dikawal sebagai nod untuk penghantaran data dalaman dan pengurusan multi-tenaga. Memilih penyelesaian nirkabel (ZigBee) daripada penyelesaian berwayar meningkatkan fleksibiliti, kebolehpercayaan, dan skala. ZigBee, dibina atas IEEE 802.15.4, menawarkan kos rendah, kuasa, dan kerumitan dengan keselamatan tinggi. Cipnya yang murah mengurangkan kos hardwared sistem. Rangkaian ini termasuk:

• Koordinator: Mengurus rangkaian ZigBee (berasaskan CC2530 - dikompilasi IAR), meliputi rumah biasa melalui topologi langsung-terhubung.

• Nod Terminal: Diintegrasikan dengan meter/penggal (sebagai soket pintar), mengumpul data dan melaksanakan arahan untuk “kawalan + pemantauan” penutupan.

1.2 Pelayan Rumah

Pelayan bertindak sebagai “inti data-kawalan” sistem, menangani:

• Hub Data: Menukar maklumat antara ZigBee (melalui port siri) dan terminal mudah alih (melalui Socket).

• Pemantauan Operasi: Menjejaki status beban, mengawal saklar, dan menyimpan data elektrik.

• Otak Kecekapan Tenaga: Menganalisis data beban/fotovoltaik untuk mengoptimumkan penjadualan, menutup gelung pengurusan tenaga.

1.3 Terminal Mudah Alih

Berasaskan Android (Eclipse + Java), terminal membolehkan:

• Kelihatan Status: Paparan masa nyata maklumat elektrik yang didorong oleh pelayan.

• Kawalan Jarak Jauh: Menghantar arahan untuk mengawal beban secara tidak langsung.

• Penjadualan Fleksibel: Menetapkan masa beban tersuai (contohnya, untuk harga penggunaan waktu).

2 Reka Bentuk Pengurusan Kecekapan Tenaga Rumah
2.1 Arsitektur & Logik Sistem

Mengintegrasikan “rumah pintar + PV + penyimpanan tenaga”, sistem ini menyematkan strategi kecekapan dalam pelayan, membentuk gelung “kumpul → model → optimum”:

• Lapisan Data: Menggabungkan data beban dan PV.

• Lapisan Model: Mengekalkan penggunaan PV, penyimpanan, dan beban melalui skema optimum.

• Lapisan Kawalan: Mengkoordinasikan operasi PV/penyimpanan dan penjadualan beban untuk tujuan “kecekapan kos” (struktur dalam Gambar 2).

2.2 Komponen Utama & Kerjasama

Komponen utama (susunan PV, bateri, inverter, pelayan, beban) berfungsi sebagai:

• Susunan PV: MPPT-dibenarkan melalui inverter, menghantar output masa nyata kepada pelayan.

• Penyimpanan Tenaga: Tersambung ke grid, mengecas semasa kelebihan PV dan melepaskan semasa kekurangan (dikira untuk interaksi grid).

• Pelayan: Menghubungkan inverter/soket, menyesuaikan peranti mengikut peraturan kecekapan untuk mengoptimumkan aliran tenaga.

2.3 Pengelasan & Penjadualan Beban

Beban dibahagikan kepada tiga jenis untuk penjadualan yang didorong oleh harga penggunaan waktu:

• Beban Kritikal (contohnya, pencahayaan): Masa tetap, tidak boleh disesuaikan.

• Beban Tidak Tetap (contohnya, AC): Permintaan berubah, daya boleh disesuaikan.

• Beban Boleh Dipindahkan (contohnya, pencuci): Masa fleksibel, inti untuk kecekapan.

Pelayan mengawal beban boleh dipindahkan melalui soket pintar, mencukur puncak/mengisi lembah untuk mengurangkan kos dan menstabilkan grid.

3 Model Matematik dan Strategi Kawalan untuk Pengurusan Kecekapan Tenaga Rumah
3.1 Model Matematik untuk Pengurusan Kecekapan Tenaga Rumah

Untuk mencapai pengurusan kecekapan tenaga rumah yang tepat, model matematik untuk kos elektrik total mesti dibentuk. Kertas ini menggunakan siklus kawalan “harian”, memecah 24 jam kepada n selang masa yang sama. Dengan mendiskretkan masalah berterusan (bila n cukup besar, setiap selang hampir menjadi “unsur mikro,” dan pemboleh ubah boleh diandaikan tetap dalam selang). Dalam selang ke-t, berdasarkan keseimbangan dinamik “kuasa beban rumah, kuasa hasil fotovoltaik, kuasa muat/turunkan bateri, dan kuasa interaksi grid,” persamaan keseimbangan kuasa sistem diturunkan sebagai:

Dalam selang masa ke-t, pemboleh ubah kuasa ditakrifkan seperti berikut:

• P_G^t: Kuasa interaksi grid (positif untuk penyerapan kuasa, negatif untuk injeksikan kuasa);

• P_A^t: Kuasa beban rumah tangga total;

• P_b^t: Kuasa muat/turunkan bateri (positif untuk turunkan, negatif untuk muat);

• P_PV^t: Kuasa hasil fotovoltaik (PV) (dipengaruhi oleh sinaran matahari, suhu, kelembaban, dll., dan boleh diramalkan melalui model ramalan kuasa PV).

Sistem PV rumah beroperasi di bawah model “penggunaan sendiri + penjualan kelebihan kuasa ke grid”, di mana kuasa kelebihan menghasilkan pendapatan penjualan ke grid dan hasil PV layak untuk subsidi. Mengambil kira harga penggunaan waktu (TOU) (harga puncak lebih tinggi, harga off-peak lebih rendah), kos elektrik total dikira sebagai:Kos Total=Kos Pembelian Grid−Pendapatan Penjualan ke Grid−Subsidi PV

Untuk satu siklus harian yang didiskretkan kepada n selang, model kos total boleh diuraikan lebih lanjut kepada jumlah kos spesifik selang, menyesuaikan dengan tepat kepada skenario penjenisan harga dinamik.

Dalam formula: C mewakili kos elektrik harian total rumah tangga; f_PV adalah harga unit subsidi pembangkitan tenaga fotovoltaik; 24/n adalah tempoh satu selang masa.
Ungkapan untuk f_t dalam Formula (2) adalah

Dalam formula: f^t_Cadalah harga elektrik untuk pengguna semasa selang masa ke-t, yang dibahagikan kepada harga elektrik puncak dan harga elektrik off-peak mengikut masa yang berbeza; f_R adalah harga elektrik untuk kuasa kelebihan yang dijual ke grid. Nilai-nilai f_C^t, f_R dan f_PV di mana-mana masa dalam hari adalah diketahui. Kuasa total P_A^t beban rumah tangga adalah sama dengan jumlah kuasa semua beban boleh dipindahkan dan beban lain semasa selang masa ke-t.

Dalam formula: P_L,i adalah kuasa operasi beban boleh dipindahkan ke-i; T_L,i adalah masa permulaan beban boleh dipindahkan ke-i; Δ t_i adalah tempoh operasi beban boleh dipindahkan ke-i; [t_i^s, t_i^e] adalah julat masa permulaan beban boleh dipindahkan ke-i. P_L,i, Δ t_i, t_i^s dan t_i^e adalah semua nilai tertentu.

Kuasa elektrik P_else,j^t beban lain adalah diketahui, manakala kuasa beban boleh dipindahkan berubah mengikut masa permulaan yang berbeza, dan T_L,i adalah nilai yang belum ditentukan. Apabila T_L,i berbeza, kuasa total P_A^t beban rumah tangga berubah, dengan itu mengubah kos elektrik rumah tangga total C.

3.2 Strategi Kawalan

Matlamat utama pengurusan kecekapan tenaga rumah adalah mengoptimumkan faedah ekonomi, secara spesifik ditafsirkan sebagai membentuk fungsi objektif untuk "meminimumkan kos elektrik rumah tangga total C".

Berdasarkan model beban boleh dipindahkan dan dikombinasikan dengan mekanisme penjenisan harga penggunaan waktu, menyesuaikan masa permulaan \(T_{\text{L},i}\) beban boleh dipindahkan dapat mengoptimumkan dinamik kurva kuasa beban rumah tangga total, mengurangkan kos total dari sudut pandang timing penggunaan elektrik.

Logik Kawalan Berkoordinasi untuk PV dan Penyimpanan Tenaga

Untuk pembangkitan tenaga fotovoltaik (PV) dan bateri penyimpanan, strategi kawalan diformulasikan untuk tempoh masa yang berbeza:

• Tempoh Puncak: Mengutamakan penggunaan penuh hasil tenaga PV. Jika hasil PV > kuasa beban, kuasa kelebihan dijual ke grid untuk pendapatan. Jika hasil PV < kuasa beban, bateri diprioritaskan untuk bekalan kuasa (apabila tahap muat bateri > nilai minimum). Apabila bateri habis, bahagian yang tidak mencukupi ditambahkan oleh grid.

• Tempoh Off-Peak: Bateri diisi pada kuasa isi maksimum untuk penyimpanan tenaga. Semua elektrik beban disediakan oleh grid, menggunakan elektrik off-peak harga rendah untuk "mengisi lembah" dan menyimpan tenaga untuk tempoh puncak.

Batasan Bateri

Perlu mengambil kira batasan kuasa muat/turunkan dan batasan kapasiti bateri untuk menghalang tingkah laku muat/turunkan (batasan spesifik perlu ditambah dengan formula/model, tidak sepenuhnya dinyatakan dalam teks asal), memastikan keselamatan peralatan dan kestabilan sistem.

Dalam Formula (6): P_b,max adalah kuasa muat/turunkan maksimum bateri; dalam Formula (7), SOC^t adalah tahap muat (SOC) bateri semasa selang masa ke-t; SOC_min adalah nilai minimum SOC bateri; SOC_max adalah nilai maksimum SOC bateri.

Berdasarkan strategi kawalan, mengoptimumkan dan mengawal kuasa muat/turunkan bateri penyimpanan. Semasa tempoh puncak t &isin;[t₁, t₂, di mana t₁ adalah masa mula tempoh puncak elektrik dan t₂ adalah masa akhir tempoh puncak elektrik, kuasa turunkan bateri ditetapkan sebagai

Semasa tempoh off-peak t &isin; [1, t₁], kuasa turunkan bateri penyimpanan ditetapkan sebagai

Perlu menghitung tahap muat (SOC) bateri penyimpanan. Hubungan antara tahap muat semasa proses muat/turunkan bateri penyimpanan dan kuasa muat/turunkan adalah seperti berikut:

Formula (10) menerangkan hubungan antara SOC bateri penyimpanan dan kuasa muat semasa muat (di sini P_b^t ＜ 0; Formula (11) menerangkan semasa turunkan (di sini P_b^t ＞ 0. SOC^{t + 1} adalah SOC dalam selang ke-t + 1; &sigma; ( kadar self-discharge, hampir 0% untuk selang masa ke