การวิจัยเกี่ยวกับกลยุทธ์การจัดการประสิทธิภาพพลังงานในครัวเรือนบนพื้นฐานของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบกระจายและระบบจัดเก็บพลังงาน

1 ระบบสมาร์ทโฮมบนพื้นฐานของ ZigBee

ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์และเทคโนโลยีควบคุมข้อมูล อุปกรณ์บ้านอัจฉริยะได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว บ้านอัจฉริยะไม่เพียงแต่รักษาฟังก์ชันที่อยู่อาศัยแบบดั้งเดิมไว้เท่านั้น แต่ยังทำให้ผู้ใช้สามารถจัดการอุปกรณ์ในบ้านได้อย่างสะดวก แม้กระทั่งเมื่ออยู่นอกบ้าน ผู้ใช้สามารถตรวจสอบสถานะภายในบ้านจากระยะไกล ซึ่งช่วยในการจัดการพลังงานในบ้านและเพิ่มคุณภาพชีวิตอย่างมาก

บทความนี้ออกแบบระบบสมาร์ทโฮมบนพื้นฐานของ ZigBee ซึ่งประกอบด้วยสามส่วน: เครือข่ายบ้าน เซิร์ฟเวอร์บ้าน และอุปกรณ์โมบาย ระบบมีความเรียบง่าย ประสิทธิภาพสูง และขยายได้สูง โดยโครงสร้างแสดงในรูปที่ 1

1 สถาปัตยกรรมระบบสมาร์ทโฮมบนพื้นฐานของ ZigBee
1.1 เครือข่ายบ้าน

ในฐานะพื้นฐานหลัก เครือข่ายบ้านเชื่อมโยงโหลดที่ควบคุมได้เป็นโหนดสำหรับการส่งผ่านข้อมูลภายในและการจัดการพลังงานหลายประเภท การเลือกใช้ไร้สาย (ZigBee) แทนโซลูชันแบบมีสาย เพิ่มความยืดหยุ่น ความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการขยาย ZigBee ที่สร้างขึ้นบน IEEE 802.15.4 นำเสนอต้นทุน กำลังไฟ และความซับซ้อนที่ต่ำพร้อมความปลอดภัยสูง ชิปที่ราคาถูกช่วยลดต้นทุนฮาร์ดแวร์ของระบบ เครือข่ายประกอบด้วย:

• Coordinator: จัดการเครือข่าย ZigBee (บน CC2530 ที่ประมวลผลโดย IAR) ครอบคลุมบ้านทั่วไปผ่านโทโพโลยีที่เชื่อมต่อตรง

• โหนดปลายทาง: รวมกับมิเตอร์/รีเลย์ (เป็นปลั๊กไฟอัจฉริยะ) รวบรวมข้อมูลและดำเนินการคำสั่งสำหรับ "ควบคุม + ตรวจสอบ" ปิดวงจร

1.2 เซิร์ฟเวอร์บ้าน

เซิร์ฟเวอร์ทำหน้าที่เป็น "แกนกลางควบคุมข้อมูล" จัดการ:

• ศูนย์ข้อมูล: แลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่าง ZigBee (ผ่านพอร์ตอนุกรม) และอุปกรณ์โมบาย (ผ่าน Socket)

• การตรวจสอบการทำงาน: ติดตามสถานะโหลด ควบคุมสวิตช์ และเก็บข้อมูลพลังงานไฟฟ้า

• สมองในการประหยัดพลังงาน: วิเคราะห์ข้อมูลโหลด/พลังงานแสงอาทิตย์ เพื่อปรับปรุงการวางแผน ปิดวงจรการจัดการพลังงาน

1.3 อุปกรณ์โมบาย

บนพื้นฐานของ Android (Eclipse + Java) อุปกรณ์โมบายสามารถ:

• การแสดงสถานะ: แสดงข้อมูลพลังงานไฟฟ้าแบบเรียลไทม์ที่เซิร์ฟเวอร์ส่งมา

• การควบคุมระยะไกล: ส่งคำสั่งเพื่อควบคุมโหลดแบบอ้อม

• การวางแผนที่ยืดหยุ่น: ตั้งเวลาโหลดที่กำหนดเอง (เช่น สำหรับการกำหนดราคาตามเวลา)

2 การออกแบบการจัดการพลังงานบ้านที่มีประสิทธิภาพ
2.1 สถาปัตยกรรมและตรรกะของระบบ

การรวม "บ้านอัจฉริยะ + พลังงานแสงอาทิตย์ + การจัดเก็บพลังงาน" ระบบฝังกลยุทธ์การประหยัดพลังงานในเซิร์ฟเวอร์ สร้างวงจรป้อนกลับ "รวบรวม → จำลอง → ปรับปรุง":

• ชั้นข้อมูล: รวมข้อมูลโหลดและพลังงานแสงอาทิตย์

• ชั้นจำลอง: บาลานซ์การใช้พลังงานแสงอาทิตย์ การจัดเก็บ และโหลดผ่านแผนการที่เหมาะสม

• ชั้นควบคุม: ประสานการทำงานของพลังงานแสงอาทิตย์/การจัดเก็บ และการวางแผนโหลดเพื่อเป้าหมาย "คุ้มค่า" (โครงสร้างในรูปที่ 2)

2.2 ส่วนประกอบหลักและการทำงานร่วมกัน

ส่วนประกอบหลัก (อาร์เรย์พลังงานแสงอาทิตย์ แบตเตอรี่ อินเวอร์เตอร์ เซิร์ฟเวอร์ โหลด) ทำงานเป็น:

• อาร์เรย์พลังงานแสงอาทิตย์: สามารถใช้งาน MPPT ผ่านอินเวอร์เตอร์ ส่งเอาต์พุตแบบเรียลไทม์ไปยังเซิร์ฟเวอร์

• การจัดเก็บพลังงาน: เชื่อมต่อกับกริด ชาร์จระหว่างมีพลังงานแสงอาทิตย์เกิน และปล่อยระหว่างขาดแคลน (วัดสำหรับการปฏิสัมพันธ์กับกริด)

• เซิร์ฟเวอร์: เชื่อมโยงอินเวอร์เตอร์/ปลั๊กไฟ ปรับอุปกรณ์ตามกฎการประหยัดพลังงานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการไหลของพลังงาน

2.3 การจำแนกและวางแผนโหลด

โหลดถูกแบ่งออกเป็นสามประเภทสำหรับการวางแผนตามการกำหนดราคาตามเวลา:

• โหลดสำคัญ (เช่น แสงสว่าง): กำหนดเวลาคงที่ ไม่สามารถปรับได้

• โหลดที่ปรับได้ (เช่น เครื่องปรับอากาศ): ความต้องการแปรผัน ปรับกำลังไฟได้

• โหลดที่สามารถเลื่อนเวลาได้ (เช่น เครื่องซักผ้า): มีความยืดหยุ่นในเวลา เป็นแกนหลักในการประหยัดพลังงาน

เซิร์ฟเวอร์ควบคุมโหลดที่สามารถเลื่อนเวลาได้ผ่านปลั๊กไฟอัจฉริยะ ลดพีค/เติมพื้นที่ว่างเพื่อลดต้นทุนและเสถียรภาพของกริด

3 แบบจำลองทางคณิตศาสตร์และกลยุทธ์การควบคุมในการจัดการพลังงานบ้านที่มีประสิทธิภาพ
3.1 แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ในการจัดการพลังงานบ้านที่มีประสิทธิภาพ

เพื่อให้การจัดการพลังงานบ้านที่มีประสิทธิภาพอย่างแม่นยำ จำเป็นต้องสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์สำหรับต้นทุนไฟฟ้าทั้งหมด บทความนี้ใช้วัฏจักรการควบคุม "รายวัน" แบ่ง 24 ชั่วโมงเป็น n ช่วงเวลาที่เท่ากัน ด้วยการแปลงปัญหาต่อเนื่องเป็นปัญหาที่แยกเป็นช่วง (เมื่อ n ใหญ่พอ แต่ละช่วงจะเข้าใกล้ "ไมโคร - ธาตุ" และตัวแปรสามารถถือว่าคงที่ภายในช่วง) ในช่วงเวลาที่ t บนพื้นฐานของการสมดุลพลังงานแบบไดนามิกของ "กำลังโหลดบ้าน กำลังการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ กำลังการชาร์จ/ปล่อยแบตเตอรี่ และกำลังการส่งผ่านกับกริด" สมการสมดุลพลังงานของระบบสามารถสร้างได้ดังนี้:

ภายในช่วงเวลาที่ t ตัวแปรกำลังสามารถกำหนดได้ดังนี้:

• P_G^t: กำลังการส่งผ่านกับกริด (บวกสำหรับการดูดซับพลังงาน ลบสำหรับการส่งพลังงาน);

• P_A^t: กำลังโหลดบ้านทั้งหมด;

• P_b^t: กำลังการชาร์จ/ปล่อยแบตเตอรี่ (บวกสำหรับการปล่อย ลบสำหรับการชาร์จ);

• P_PV^t: กำลังการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ (ได้รับผลกระทบจากความสว่างของแสงอาทิตย์ ความร้อน ความชื้น ฯลฯ และสามารถทำนายได้ผ่านโมเดลการทำนายพลังงานแสงอาทิตย์)

ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ในบ้านทำงานภายใต้โมเดล "การบริโภคเอง + การส่งพลังงานส่วนเกินกลับไปยังกริด" โดยพลังงานส่วนเกินสร้างรายได้จากการส่งพลังงานกลับไปยังกริด และการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์มีสิทธิ์ได้รับเงินสนับสนุน ด้วยการกำหนดราคาตามเวลา (ราคาสูงในช่วงพีค ราคาต่ำในช่วงนอกพีค) ต้นทุนไฟฟ้าทั้งหมดสามารถคำนวณได้ดังนี้:ต้นทุนทั้งหมด=ต้นทุนการซื้อจากกริด−รายได้จากการส่งพลังงานกลับไปยังกริด−เงินสนับสนุนพลังงานแสงอาทิตย์

สำหรับวัฏจักรรายวันที่แบ่งออกเป็น n ช่วงเวลา แบบจำลองต้นทุนทั้งหมดสามารถแยกออกเป็นผลรวมของต้นทุนเฉพาะช่วงเวลา ปรับให้เหมาะสมกับสถานการณ์การกำหนดราคาได้อย่างแม่นยำ

ในสูตร: C แทนต้นทุนไฟฟ้ารายวันของครัวเรือน; f_PV คือราคาต่อหน่วยของการสนับสนุนการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์; 24/n คือระยะเวลาของช่วงเวลาหนึ่ง
การแสดง f_t ในสูตร (2) คือ

ในสูตร: f^t_Cคือราคาไฟฟ้าสำหรับผู้ใช้ในช่วงเวลาที่ t ซึ่งถูกแบ่งออกเป็นราคาไฟฟ้าในช่วงพีคและราคาไฟฟ้าในช่วงนอกพีคตามช่วงเวลาที่แตกต่างกัน; f_R คือราคาไฟฟ้าสำหรับพลังงานส่วนเกินที่ส่งกลับไปยังกริด ค่าของ f_C^t, f_R และ f_PV ในทุกช่วงเวลาของวันเป็นที่ทราบแล้ว กำลังไฟฟ้ารวม P_A^t ของโหลดบ้านเท่ากับผลรวมของกำลังไฟฟ้าของโหลดที่สามารถเลื่อนเวลาได้และโหลดอื่น ๆ ในช่วงเวลาที่ t

ในสูตร: P_L,i คือกำลังไฟฟ้าในการทำงานของโหลดที่สามารถเลื่อนเวลาได้ลำดับที่ i; T_L,i คือเวลาเริ่มต้นของโหลดที่สามารถเลื่อนเวลาได้ลำดับที่ i; Δ t_i คือระยะเวลาในการทำงานของโหลดที่สามารถเลื่อนเวลาได้ลำดับที่ i; [t_i^s, t_i^e] คือช่วงเวลาเริ่มต้นของโหลดที่สามารถเลื่อนเวลาได้ลำดับที่ i. P_L,i, Δ t_i, t_i^s และ t_i^e เป็นค่าที่แน่นอน

กำลังไฟฟ้า P_else,j^t ของโหลดอื่น ๆ เป็นที่ทราบแล้ว ในขณะที่กำลังไฟฟ้าของโหลดที่สามารถเลื่อนเวลาได้เปลี่ยนแปลงตามเวลาเริ่มต้นที่แตกต่างกัน และ T_L,i เป็นค่าที่ยังไม่ได้กำหนด เมื่อ T_L,i แตกต่างกัน กำลังไฟฟ้ารวม P_A^t ของโหลดบ้านจะเปลี่ยนแปลงตาม ทำให้ต้นทุนไฟฟ้ารวมของครัวเรือน C เปลี่ยนแปลงตาม

3.2 กลยุทธ์การควบคุม

เป้าหมายหลักของการจัดการพลังงานบ้านที่มีประสิทธิภาพคือการเพิ่มผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแปลงเป็นการสร้างฟังก์ชันวัตถุประสงค์สำหรับ "การลดต้นทุนไฟฟ้าทั้งหมดของครัวเรือน C"

บนพื้นฐานของแบบจำลองโหลดที่สามารถเลื่อนเวลาได้และผสมผสานกับกลไกการกำหนดราคาตามเวลา การปรับเวลาเริ่มต้น \(T_{\text{L},i}\) ของโหลดที่สามารถเลื่อนเวลาได้สามารถปรับปรุงโค้งกำลังโหลดบ้านทั้งหมดได้แบบไดนามิก ลดต้นทุนทั้งหมดจากมุมมองของการใช้ไฟฟ้าตามเวลา

ตรรกะการควบคุมที่ประสานกันสำหรับพลังงานแสงอาทิตย์และการจัดเก็บพลังงาน

สำหรับการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) และแบตเตอรี่การจัดเก็บพลังงาน ได้สร้างกลยุทธ์การควบคุมสำหรับช่วงเวลาที่แตกต่างกัน:

• ช่วงพีค: ให้ความสำคัญกับการบริโภคพลังงานจากการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ให้ครบถ้วน หากกำลังการผลิต PV > กำลังโหลด พลังงานส่วนเกินจะถูกส่งกลับไปยังกริดเพื่อสร้างรายได้ หากกำลังการผลิต PV < กำลังโหลด จะให้ความสำคัญกับการจ่ายพลังงานจากแบตเตอรี่ (เมื่อสถานะการชาร์จแบตเตอรี่ > ค่าต่ำสุด) เมื่อแบตเตอรี่หมด แรงงานที่ไม่เพียงพอจะถูกเติมจากกริด

• ช่วงนอกพีค: แบตเตอรี่จะถูกชาร์จด้วยกำลังชาร์จสูงสุดเพื่อการจัดเก็บพลังงาน ไฟฟ้าทั้งหมดสำหรับโหลดจะมาจากกริด ใช้ไฟฟ้าราคาต่ำในช่วงนอกพีคเพื่อ "เติมพื้นที่ว่าง" และจัดเก็บพลังงานสำหรับช่วงพีค

ข้อจำกัดของแบตเตอรี่

จำเป็นต้องพิจารณาข้อจำกัดของกำลังการชาร์จ/ปล่อยและข้อจำกัดของความจุของแบตเตอรี่เพื่อควบคุมพฤติกรรมการชาร์จและปล่อย (ข้อจำกัดเฉพาะต้องเสริมด้วยสูตร/โมเดล ไม่ได้แสดงในข้อความต้นฉบับอย่างครบถ้วน) เพื่อรับประกันความปลอดภัยของอุปกรณ์และความเสถียรของระบบ

ในสูตร (6): P_b,max คือกำลังการชาร์จ/ปล่อยสูงสุดของแบตเตอรี่; ในสูตร (7), SOC^t คือสถานะการชาร์จ (SOC) ของแบตเตอรี่ในช่วงเวลาที่ t; SOC_min คือ