Nghiên cứu về Chiến lược Quản lý Hiệu quả Năng lượng Gia đình Dựa trên Nhà máy Điện Mặt trời Phân tán và ESS

Echo

Trường dữ liệu: Phân tích biến áp

China

1 Hệ thống nhà thông minh dựa trên ZigBee

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ máy tính và công nghệ điều khiển thông tin, các ngôi nhà thông minh đã phát triển nhanh chóng. Các ngôi nhà thông minh không chỉ giữ lại các chức năng truyền thống của nhà ở mà còn cho phép người dùng quản lý các thiết bị gia đình một cách thuận tiện. Ngay cả khi ở bên ngoài nhà, người dùng cũng có thể giám sát từ xa tình trạng bên trong, giúp quản lý hiệu quả năng lượng và đáng kể cải thiện chất lượng cuộc sống.

Bài viết này thiết kế một hệ thống nhà thông minh dựa trên ZigBee, bao gồm ba thành phần: mạng nội bộ, máy chủ nội bộ và thiết bị di động. Hệ thống đơn giản, hiệu quả và khả năng mở rộng cao, với cấu trúc được hiển thị trong Hình 1.

1 Kiến trúc nhà thông minh dựa trên ZigBee
1.1 Mạng nội bộ

Là nền tảng cốt lõi, mạng nội bộ kết nối các tải có thể kiểm soát như các nút để truyền dữ liệu nội bộ và quản lý đa năng lượng. Chọn giải pháp không dây (ZigBee) thay vì giải pháp có dây tăng cường tính linh hoạt, độ tin cậy và khả năng mở rộng. ZigBee, được xây dựng trên IEEE 802.15.4, cung cấp chi phí, năng lượng và độ phức tạp thấp với bảo mật cao. Các chip giá rẻ giảm chi phí phần cứng của hệ thống. Mạng bao gồm:

Coordinator: Quản lý mạng ZigBee (dựa trên CC2530, được biên dịch bằng IAR), bao phủ các ngôi nhà điển hình thông qua cấu trúc kết nối trực tiếp.
Các nút cuối: Tích hợp với đồng hồ/ rơle (như ổ cắm thông minh), thu thập dữ liệu và thực hiện lệnh cho "kiểm soát + giám sát" đóng.

1.2 Máy chủ nội bộ

Máy chủ đóng vai trò là "trung tâm dữ liệu - kiểm soát" của hệ thống, xử lý:

Trung tâm dữ liệu: Trao đổi thông tin giữa ZigBee (qua cổng nối tiếp) và thiết bị di động (qua Socket).
Giám sát hoạt động: Theo dõi trạng thái tải, kiểm soát công tắc và lưu trữ dữ liệu điện.
NÃO HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG: Phân tích dữ liệu tải/năng lượng mặt trời để tối ưu hóa lịch trình, đóng vòng quản lý năng lượng.

1.3 Thiết bị di động

Dựa trên Android (Eclipse + Java), thiết bị cho phép:

Hiển thị trạng thái: Hiển thị thông tin điện theo thời gian thực do máy chủ đẩy.
Kiểm soát từ xa: Gửi lệnh để kiểm soát tải gián tiếp.
Lập lịch linh hoạt: Đặt thời gian tải tùy chỉnh (ví dụ: cho giá sử dụng theo thời gian).

2 Thiết kế quản lý hiệu suất năng lượng nội bộ
2.1 Cấu trúc & Logic hệ thống

Tích hợp "nhà thông minh + PV + lưu trữ năng lượng", hệ thống nhúng chiến lược hiệu suất vào máy chủ, tạo thành vòng "thu thập → mô hình → tối ưu":

Tầng dữ liệu: Kết hợp dữ liệu tải và PV.
Tầng mô hình: Cân bằng việc sử dụng PV, lưu trữ và tải thông qua các phương án tối ưu.
Tầng kiểm soát: Điều phối hoạt động của PV/lưu trữ và lập lịch tải để đạt mục tiêu "hiệu quả chi phí" (cấu trúc trong Hình 2).

2.2 Thành phần chính & Hợp tác

Các thành phần chính (mảng PV, pin, bộ chuyển đổi, máy chủ, tải) hoạt động như sau:

Mảng PV: Được kích hoạt MPPT thông qua bộ chuyển đổi, truyền đầu ra theo thời gian thực đến máy chủ.
Lưu trữ năng lượng: Kết nối lưới, sạc khi thừa PV và xả khi thiếu hụt (được đo lường cho tương tác lưới).
Máy chủ: Kết nối bộ chuyển đổi/ổ cắm, điều chỉnh thiết bị theo quy tắc hiệu suất để tối ưu hóa dòng năng lượng.

2.3 Phân loại & Lập lịch tải

Tải được chia thành ba loại cho việc lập lịch dựa trên giá sử dụng theo thời gian:

Tải quan trọng (ví dụ: ánh sáng): Thời gian cố định, không điều chỉnh được.
Tải điều chỉnh được (ví dụ: AC): Yêu cầu biến đổi, điều chỉnh được công suất.
Tải có thể chuyển (ví dụ: máy giặt): Linh hoạt về thời gian, là cốt lõi cho hiệu suất.

Máy chủ kiểm soát tải có thể chuyển thông qua ổ cắm thông minh, cắt đỉnh/điền thung lũng để giảm chi phí và ổn định lưới.

3 Mô hình toán học và chiến lược kiểm soát cho quản lý hiệu suất năng lượng nội bộ
3.1 Mô hình toán học cho quản lý hiệu suất năng lượng nội bộ

Để đạt được quản lý hiệu suất năng lượng nội bộ chính xác, cần thiết lập một mô hình toán học cho tổng chi phí điện. Bài viết này sử dụng chu kỳ kiểm soát "hàng ngày", chia 24 giờ thành $n$ khoảng thời gian bằng nhau. Bằng cách rời rạc hóa các vấn đề liên tục (khi $n$ đủ lớn, mỗi khoảng thời gian gần như một "vi phần tử", và các biến có thể được coi là không đổi trong khoảng thời gian đó). Trong khoảng thời gian thứ $t$ , dựa trên cân bằng động của "công suất tải nội bộ, công suất sản xuất PV, công suất sạc/xả pin, và công suất tương tác lưới", phương trình cân bằng công suất của hệ thống được dẫn xuất như sau:

Trong khoảng thời gian thứ $t$ , các biến công suất được định nghĩa như sau:

$P_{G t}$ : Công suất tương tác lưới (dương cho hấp thụ điện, âm cho tiêm điện);
$P A t$ : Tổng công suất tải nội bộ;
$P b t$ : Công suất sạc/xả pin (dương cho xả, âm cho sạc);
$P PV t$ : Công suất đầu ra PV (được ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời, nhiệt độ, độ ẩm, v.v., và có thể dự đoán thông qua các mô hình dự báo công suất PV).

Hệ thống PV nội bộ hoạt động theo mô hình ""sử dụng tự thân + dư thừa điện lưới", nơi điện dư thừa tạo ra doanh thu từ việc tiêm điện vào lưới và sản xuất PV đủ điều kiện nhận trợ cấp. Xem xét giá sử dụng theo thời gian (giá cao hơn trong giờ cao điểm, giá thấp hơn trong giờ thấp điểm), tổng chi phí điện được tính như sau:Tổng Chi Phí=Chi Phí Mua Điện−Doanh Thu Tiêm Điện−Trợ Cấp PV

Đối với chu kỳ hàng ngày được rời rạc hóa thành $n$ khoảng, mô hình tổng chi phí có thể được phân giải thành tổng các chi phí cụ thể cho từng khoảng, chính xác thích ứng với các kịch bản giá động.

Trong công thức: $C$ đại diện cho tổng chi phí điện hàng ngày của hộ gia đình; f_PV là giá đơn vị trợ cấp sản xuất điện PV; $24/n$ là thời gian của một khoảng thời gian.
Biểu thức cho $f t$ trong Công thức (2) là

Trong công thức: $f t$ _Clà giá điện cho người dùng trong khoảng thời gian thứ $t$ , được chia thành giá điện cao điểm và giá điện thấp điểm theo các khoảng thời gian khác nhau; $f R$ là giá điện cho điện dư thừa tiêm vào lưới. Giá trị của $f C t$ , $f R$ và $f PV$ tại bất kỳ thời điểm nào trong ngày đều được biết. Tổng công suất $P A t$ của tải nội bộ bằng tổng công suất của tất cả các tải có thể chuyển và các tải khác trong khoảng thời gian thứ $t$ .

Trong công thức: $P L,i$ là công suất hoạt động của tải có thể chuyển thứ $i$ ; $T L,i$ là thời gian khởi động của tải có thể chuyển thứ $i$ ; Δ $t i$ là thời gian hoạt động của tải có thể chuyển thứ $i$ ; $[t i s, t i e]$ là khoảng thời gian khởi động của tải có thể chuyển thứ $i$ . $P L,i$ , Δ $t i$ , $t i s$ và $t i e$ đều là các giá trị xác định.

Công suất điện $P else,j t$ của các tải khác được biết, trong khi công suất điện của tải có thể chuyển thay đổi theo các thời gian khởi động khác nhau, và $T L,i$ là một giá trị chưa xác định. Khi $T L,i$ khác nhau, tổng công suất $P A t$ của tải nội bộ thay đổi theo, do đó thay đổi tổng chi phí điện nội bộ $C$ .

3.2 Chiến lược kiểm soát

Mục tiêu cốt lõi của quản lý hiệu suất năng lượng nội bộ là tối đa hóa lợi ích kinh tế, cụ thể là xây dựng hàm mục tiêu để "tối thiểu hóa tổng chi phí điện nội bộ $C$ ".

Dựa trên mô hình tải có thể chuyển và kết hợp với cơ chế giá sử dụng theo thời gian, việc điều chỉnh thời gian khởi động $T_{\text{L},i}$ của tải có thể chuyển có thể tối ưu hóa động đường cong tổng công suất tải nội bộ, giảm tổng chi phí từ góc độ thời gian sử dụng điện.

Logic kiểm soát phối hợp cho PV và lưu trữ năng lượng

Đối với hệ thống sản xuất điện PV và pin lưu trữ, các chiến lược kiểm soát được xây dựng cho các khoảng thời gian khác nhau:

Khoảng thời gian cao điểm: Ưu tiên tiêu thụ toàn bộ sản lượng PV. Nếu sản lượng PV > công suất tải, điện dư thừa được tiêm vào lưới để tạo doanh thu. Nếu sản lượng PV < công suất tải, pin được ưu tiên cung cấp điện (khi trạng thái sạc pin > giá trị tối thiểu). Khi pin hết, phần thiếu hụt được bổ sung từ lưới.
Khoảng thời gian thấp điểm: Pin được sạc với công suất sạc tối đa để lưu trữ năng lượng. Tất cả điện tải được cung cấp từ lưới, tận dụng điện giá rẻ thấp điểm để "điền thung lũng" và lưu trữ năng lượng cho khoảng thời gian cao điểm.

Điều kiện ràng buộc của pin

Cần phải xem xét đồng thời các giới hạn công suất sạc/xả và hạn chế dung lượng của pin để ràng buộc hành vi sạc/xả của nó (các điều kiện ràng buộc cụ thể cần được bổ sung bằng công thức/mô hình, không được trình bày đầy đủ trong văn bản gốc), đảm bảo an toàn thiết bị và ổn định hệ thống.

Trong Công thức (6): $P b,max$ là công suất sạc/xả tối đa của pin; trong Công thức (7), $SOC t$ là trạng thái sạc (SOC) của pin trong khoảng thời gian thứ $t$ ; $SOC min$ là giá trị tối thiểu của SOC pin; $SOC max$ là giá trị tối đa của SOC pin.

Theo chiến lược kiểm soát, tối ưu hóa và kiểm soát công suất sạc/xả của pin lưu trữ. Trong khoảng thời gian cao điểm $t ∈[t 1, t 2$ , trong đó $t 1$ là thời điểm bắt đầu của khoảng thời gian cao điểm và $t 2$ là thời điểm kết thúc của khoảng thời gian cao điểm, công suất xả của pin được đặt là

Trong khoảng thời gian thấp điểm $t ∈ [1, t 1]$ , công suất xả của pin lưu trữ được đặt là

Cần tính trạng thái sạc (SOC) của pin lưu trữ. Mối quan hệ giữa trạng thái sạc trong quá trình sạc và xả của pin lưu trữ và công suất sạc/xả là như sau:

Công thức (10) mô tả mối quan hệ giữa SOC của pin lưu trữ và công suất sạc trong quá trình sạc (ở đây $P b t ＜ 0$ ; Công thức (11) mô tả rằng trong quá trình xả (ở đây $P b t ＞ 0$ . $SOC t + 1$ là SOC trong khoảng thời gian thứ $t + 1$ ; σ (tỷ lệ tự xả, gần 0% cho các khoảng thời gian nhỏ), η_ch (hiệu suất sạc), η_$dis$ (hiệu suất xả), và $E b,max$ (dung lượng tối đa) là các tham số pin.Tóm lại, mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất năng lượng nội bộ là tối thiểu hóa tổng chi phí điện bằng cách xác định thời gian khởi động của tải có thể chuyển và công suất sạc/xả của pin lưu trữ tại mỗi thời điểm, được biểu diễn như sau: