Pesquisa sobre a Estratégia de Gestão de Eficiência Energética Residencial Baseada em Usinas Fotovoltaicas Distribuídas e Sistemas de Armazenamento de Energia
1 Sistema Inteligente para Casa Baseado em ZigBee
Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de computação e controle de informação, as casas inteligentes evoluíram rapidamente. As casas inteligentes não apenas mantêm as funções residenciais tradicionais, mas também permitem que os usuários gerenciem dispositivos domésticos de forma conveniente. Mesmo fora de casa, os usuários podem monitorar remotamente o estado interno, facilitando o gerenciamento eficiente de energia e melhorando significativamente a qualidade de vida.
Este artigo projeta um sistema inteligente para casa baseado em ZigBee, composto por três componentes: rede doméstica, servidor doméstico e terminal móvel. O sistema é simples, eficiente e altamente escalável, com sua estrutura mostrada na Figura 1.
1 Arquitetura de Sistema Inteligente para Casa Baseado em ZigBee
1.1 Rede Doméstica
Como a base central, a rede doméstica conecta cargas controláveis como nós para transmissão de dados internos e gerenciamento multi-energético. Optar por soluções sem fio (ZigBee) sobre soluções com fio aumenta a flexibilidade, confiabilidade e escalabilidade. O ZigBee, construído sobre IEEE 802.15.4, oferece baixo custo, consumo de energia e complexidade, com alta segurança. Seus chips acessíveis reduzem os custos de hardware do sistema. A rede inclui:
1.2 Servidor Doméstico
O servidor atua como o "núcleo de controle de dados" do sistema, lidando com:
1.3 Terminal Móvel
Baseado em Android (Eclipse + Java), o terminal permite:
2 Projeto de Gerenciamento de Eficiência Energética Residencial
2.1 Arquitetura e Lógica do Sistema
Integrando "casa inteligente + PV + armazenamento de energia", o sistema incorpora estratégias de eficiência no servidor, formando um loop de "coleta → modelo → otimização":
2.2 Componentes Principais e Colaboração
Componentes principais (arrays PV, baterias, inversores, servidor, cargas) funcionam como:
2.3 Classificação e Agendamento de Cargas
As cargas são divididas em três tipos para agendamento impulsionado por tarifas de uso de tempo:
O servidor controla as cargas deslocáveis via tomadas inteligentes, reduzindo picos e preenchendo vales para cortar custos e estabilizar a rede.
3 Modelo Matemático e Estratégia de Controle para Gerenciamento de Eficiência Energética Residencial
3.1 Modelo Matemático para Gerenciamento de Eficiência Energética Residencial
Para alcançar o gerenciamento preciso de eficiência energética residencial, é necessário estabelecer um modelo matemático para o custo total de eletricidade. Este artigo utiliza um ciclo de controle "diário", dividindo 24 horas em n intervalos de tempo iguais. Ao discretizar problemas contínuos (quando n é suficientemente grande, cada intervalo se aproxima de um "micro-elemento", e as variáveis podem ser consideradas constantes dentro do intervalo). No intervalo t-ésimo, com base no equilíbrio dinâmico de "potência de carga doméstica, potência de geração fotovoltaica, potência de carga/descarga da bateria e potência de interação com a rede", a equação de equilíbrio de potência do sistema é derivada como:
Dentro do intervalo de tempo t-ésimo, as variáveis de potência são definidas como segue:
O sistema PV residencial opera sob o modelo de "autoconsumo + alimentação de excedente à rede", onde a eletricidade excedente gera receita de alimentação à rede e a geração PV qualifica-se para subsídios. Considerando as tarifas de uso de tempo (TOU) (taxas mais altas nos horários de pico, taxas mais baixas nos horários de vale), o custo total de eletricidade é calculado como:Custo Total=Custo de Compra da Rede−Receita de Alimentação à Rede−Subsídios PV
Para um ciclo diário discretizado em n intervalos, o modelo de custo total pode ser decomposto ainda mais na soma dos custos específicos de intervalo, adaptando-se precisamente a cenários de preços dinâmicos.
Na fórmula: C representa o custo total diário de eletricidade da residência; fPV é o preço unitário do subsídio de geração de energia fotovoltaica; 24/n é a duração de um intervalo de tempo. A expressão para ft na Fórmula (2) é
Na fórmula: ftC é o preço de eletricidade para o usuário durante o período de tempo t, que é dividido em preço de eletricidade de horário de pico e preço de eletricidade de horário de vale de acordo com diferentes períodos de tempo; fR é o preço de eletricidade para a eletricidade excedente alimentada à rede. Os valores de fCt, fR e fPV em qualquer momento do dia são todos conhecidos. A potência total PAt da carga doméstica é igual à soma da potência de todas as cargas deslocáveis e outras cargas durante o período de tempo t.
Na fórmula: PL,i é a potência de operação da i-ésima carga deslocável; TL,i é o tempo de início da i-ésima carga deslocável; Δ ti é a duração de operação da i-ésima carga deslocável; [tis, tie] é o intervalo do tempo de início da i-ésima carga deslocável. PL,i, Δ ti, tis e tie são todos valores definitivos.
A potência elétrica Pelse,jt de outras cargas é conhecida, enquanto a potência elétrica de cargas deslocáveis muda de acordo com diferentes tempos de início, e TL,i é um valor indeterminado. Quando TL,i é diferente, a potência total PAt da carga doméstica muda consequentemente, alterando assim o custo total de eletricidade residencial C.
3.2 Estratégia de Controle
O objetivo principal do gerenciamento de eficiência energética residencial é maximizar os benefícios econômicos, especificamente traduzido em construir uma função objetiva para "minimizar o custo total de eletricidade residencial C".
Com base no modelo de carga deslocável e combinado com o mecanismo de tarifas de uso de tempo, ajustar o tempo de início \(T_{\text{L},i}\) das cargas deslocáveis pode otimizar dinamicamente a curva de potência total de carga doméstica, reduzindo o custo total a partir da perspectiva do timing do consumo de eletricidade.
Lógica de Controle Coordenado para PV e Armazenamento de Energia
Para a geração de energia fotovoltaica (PV) e baterias de armazenamento, são formuladas estratégias de controle para diferentes períodos de tempo:
Restrições da Bateria
É necessário considerar simultaneamente os limites de potência de carga/descarga e as restrições de capacidade da bateria para restringir seus comportamentos de carga e descarga (restrições específicas precisam ser complementadas com fórmulas/modelos, não totalmente apresentadas no texto original), garantindo a segurança do equipamento e a estabilidade do sistema.
Na Fórmula (6): Pb,max é a potência máxima de carga/descarga da bateria; na Fórmula (7), SOCt é o estado de carga (SOC) da bateria durante o período de tempo t; SOCmin é o valor mínimo do SOC da bateria; SOCmax é o valor máximo do SOC da bateria.
De acordo com a estratégia de controle, otimizar e controlar a potência de carga/descarga da bateria de armazenamento de energia. Durante o período de pico t ∈[t1, t2, onde t1 é o tempo de início do período de pico de eletricidade e t2 é o tempo final do período de pico de eletricidade, a potência de descarga da bateria é definida como
Durante o período de vale t ∈ [1, t1], a potência de descarga da bateria de armazenamento é definida como
É necessário calcular o estado de carga (SOC) da bateria de armazenamento. A relação entre o estado de carga durante o processo de carga e descarga da bateria de armazenamento e a potência de carga/descarga é a seguinte:
A Fórmula (10) descreve a relação entre o SOC da bateria de armazenamento e a potência de carga durante a carga (aqui Pbt ＜ 0; a Fórmula (11) descreve que durante a descarga (aqui Pbt ＞ 0. SOCt + 1 é o SOC no período t + 1; σ (taxa de auto-descarga, quase 0% para pequenos intervalos de tempo), ηch (eficiência de carga), ηdis (eficiência de descarga) e Eb,max (capacidade máxima) são parâmetros da bateria. Em resumo, a otimização de eficiência energética residencial visa minimizar o custo total de eletricidade determinando os tempos de início das cargas deslocáveis e a potência de carga/descarga do armazenamento de energia em cada momento, expresso como:
