Contribution to the development of advanced energy management and control methods for microgrids

Abstract

The doctoral dissertation focuses on the development of advanced, fully parametric methodologies for energy management and control of microgrids comprising energy consumers/producers (prosumers), with the integration of electric vehicles and combined heat and power (CHP) systems, aiming at their economically efficient, environmentally sustainable, and reliable operation.The energy systems under study include: (a) buildings of scalable size, ranging from simple residential houses to very large buildings hosting office or commercial activities, (b) individual plug-in electric vehicles up to large-scale electric vehicle charging stations, (c) combined heat and power units, (d) generators, and (e) renewable energy sources. Detailed modeling of all microgrid components is carried out, including both thermal and electrical building loads, with the latter categorized into critical and non-critical (time-shiftable) loads. These loads can be supplied either: (a) by the microgrid energy sources and the main power grid, or (b) exclusively by the microgrid sources when operating in islanded mode. Furthermore, the microgrid is capable of providing frequency and voltage support. Active and reactive power are optimally regulated to ensure that the frequency and node voltages of both the microgrid and the active distribution network remain within permissible limits. The key innovation of the proposed thesis lies in its applicability to systems ranging from simple residential consumers to highly complex microgrids that include large-scale building complexes integrated into active distribution networks, without significant computational burden. In addition, adaptive real-time power allocation methods are proposed based on novel definitions of system flexibility, which require minimal measurements and avoid the need for detailed and computationally intensive component models.The research directions followed during the preparation of the doctoral dissertation and its main scientific contributions are summarized as follows: 1. Hierarchical multi-agent real-time energy management and control system for microgridsA hierarchical, multi-agent real-time control system is proposed and developed for microgrids integrating prosumers and electric vehicles. The methodology achieves optimal real-time operating point determination aiming at minimizing operational cost under time-varying electricity prices and multiple technical constraints, without relying on day-ahead scheduling or forecasting. 2. Power management of net-zero energy microgrids using digital twinsAn innovative power management framework is developed for net-zero energy microgrids integrating large building complexes, CHP systems, renewable energy sources, and electric vehicles. A simplified building digital twin is developed, based on a novel equivalent representation methodology of the building thermal model, significantly reducing complexity and computational burden while maintaining high accuracy in thermal behavior estimation. 3.Optimal frequency control in complex microgridsAdvanced frequency control strategies are developed by exploiting the flexibility of building loads and electric vehicles. A frequency support method based on fuzzy logic and new flexibility indices for heating/cooling systems is introduced, enabling dynamic adjustment of energy consumption and storage while ensuring thermal comfort, compliance with technical constraints, and reduction of CO₂ emissions from local generation units. 4. Optimal and coordinated operation of thermo-electric microgridsA comprehensive optimization framework is developed for the coordinated control of CHP systems, large building prosumers, and a large number of plug-in electric vehicles. The proposed methodology simultaneously achieves minimization of operational cost, smoothing of the substation load connected to the microgrid, and enforcement of net-zero energy balance, incorporating an extensive set of technical and environmental constraints while ensuring scalability for large-scale applications. 5.Adaptive real-time control for net-zero energy microgridsA novel mathematical formulation of building thermal models is introduced, in which all uncertainties and time-varying inputs are aggregated into an equivalent input. Based on this formulation, adaptive control strategies are developed for building thermal subsystems and managed grid-connected electric vehicles, achieving enhanced robustness, control accuracy, and computational efficiency under real operating conditions. 6.Advanced control of building electrical systems using artificial intelligenceA comprehensive energy management methodology for building electrical systems based on artificial neural networks is developed. An accurate model for estimating the internal temperature of thermal zones is formulated, combined with real-time estimation methods of internal thermal gains. The proposed approach enables adaptive and precise system control, improving thermal comfort and reducing the unit energy cost. Furthermore, a complementary control approach using Neuro-Fuzzy Networks (NFN) and classical forecasting techniques is developed. The NFN based control system allows interpretability of its parameters while it ensures high accuracy and efficiency. 7. Load management in microgrid-based energy communitiesA methodology for the combined management of electrical and thermal loads in energy communities is proposed, aiming at load smoothing at the High/Medium Voltage substation level. The approach considers thermal comfort constraints and technical limitations of heating and cooling systems, enabling cost-effective shifting of non-critical loads and enhancing power system stability. All developed energy management and control methods for microgrids have been validated both theoretically and through simulations using detailed analytical models (of the energy management and control algorithms and all components of a complex microgrid energy system).

Η διδακτορική διατριβή εστιάζει στην ανάπτυξη προηγμένων, πλήρως παραμετρικών, μεθοδολογιών διαχείρισης ενέργειας και ελέγχου μικροδικτύων καταναλωτών/παραγωγών ενέργειας (prosumers) με ενσωμάτωση ηλεκτρικών οχημάτων και συστημάτων συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού, με στόχο την οικονομικά αποδοτική, περιβαλλοντικά βιώσιμη και αξιόπιστη λειτουργία τους. Τα υπό μελέτη ενεργειακά συστήματα περιλαμβάνουν: (α) κτίρια κλιμακούμενου μεγέθους, από απλές κατοικίες μέχρι πολύ μεγάλα κτίρια που στεγάζουν γραφεία ή εμπορικές δραστηριότητες, (β) μεμονωμένα ηλεκτρικά οχήματα μέχρι μεγάλους σταθμούς φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, (γ) μονάδες συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού, (δ) γεννήτριες και (ε) ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Γίνεται αναλυτική μοντελοποίηση όλων των στοιχείων του μικροδικτύου, συμπεριλαμβανομένων των θερμικών και ηλεκτρικών φορτίων των κτιρίων με τα τελευταία να κατηγοριοποιούνται σε κρίσιμα και μη κρίσιμα (μπορούν να μετατοπιστούν χρονικά). Τα φορτία μπορούν να τροφοδοτούνται: (α) από τις πηγές ενέργειας του μικροδικτύου και το ηλεκτρικό δίκτυο ή (β) μόνο από τις πηγές ενέργειας του μικροδικτύου, εάν αυτό λειτουργεί αυτόνομα. Επιπλέον, το μικροδίκτυο έχει τη δυνατότητα στήριξης της συχνότητας και της τάσης. Η ενεργός και η άεργος ισχύς ρυθμίζεται βέλτιστα, ώστε να διατηρείται η συχνότητα και οι τάσεις των κόμβων του μικροδικτύου και του ενεργού δικτύου διανομής εντός των επιτρεπτών ορίων. Η αιχμή της καινοτομίας της διατριβής είναι ότι μπορεί να εφαρμοστεί σε συστήματα που κυμαίνονται από απλούς οικιακούς καταναλωτές μέχρι εξαιρετικά πολύπλοκα μικροδίκτυα, τα οποία περιλαμβάνουν μεγάλης κλίμακας κτιριακά συγκροτήματα ενσωματωμένα σε ενεργά δίκτυα διανομής, χωρίς σημαντική επιβάρυνση του υπολογιστικού φόρτου. Επιπλέον, προτείνονται προσαρμοστικοί μέθοδοι κατανομής της ισχύος σε πραγματικό χρόνο βάσει καινοτόμων ορισμών της ευελιξίας του συστήματος, οι οποίες απαιτούν ελάχιστες μετρήσεις και όχι αναλυτικά και υπολογιστικά βαριά μοντέλα των συνιστωσών του συστήματος. Οι ερευνητικές κατευθύνσεις που ακολουθήθηκαν κατά την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής και οι κύριες επιστημονικές συμβολές της συνοψίζονται στη συνέχεια. 1. Ιεραρχικό πολυπρακτορικό σύστημα διαχείρισης ενέργειας και ελέγχου μικροδικτύων σε πραγματικό χρόνοΠροτείνεται και αναπτύσσεται ιεραρχικό, πολυπρακτορικό σύστημα ελέγχου πραγματικού χρόνου για μικροδίκτυα που ενσωματώνουν κτιριακούς prosumers και ηλεκτρικά οχήματα. Η μεθοδολογία επιτυγχάνει βέλτιστο προσδιορισμό σημείων λειτουργίας σε πραγματικό χρόνο με στόχο την ελαχιστοποίηση του λειτουργικού κόστους, υπό μεταβαλλόμενο κόστος της μονάδας ηλεκτρικής ενέργειας και πλήθος τεχνικών περιορισμών, χωρίς εξάρτηση από ημερήσιο προγραμματισμό ή προβλέψεις. 2. Διαχείριση ισχύος μικροδικτύων μηδενικής καθαρής ανταλλαγής ενέργειας με το δίκτυο με χρήση ψηφιακών διδύμωνΑναπτύσσεται καινοτόμο πλαίσιο διαχείρισης ισχύος για μικροδίκτυα καθαρής μηδενικής ενέργειας που ενσωματώνουν μεγάλα κτιριακά συγκροτήματα, συστήματα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού-θερμότητας, ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και ηλεκτρικά οχήματα. Αναπτύσσεται απλοποιημένο ψηφιακό δίδυμο κτιρίων, βασισμένο σε νέα μεθοδολογία ισοδύναμης αναπαράστασης του θερμικού μοντέλου του κτιρίου, το οποίο μειώνει σημαντικά την πολυπλοκότητα και τον υπολογιστικό φόρτο, διατηρώντας υψηλή ακρίβεια στην εκτίμηση της θερμικής συμπεριφοράς του κτιρίου. 3. Βέλτιστος έλεγχος συχνότητας σε πολύπλοκα μικροδίκτυαΑναπτύσσονται προηγμένες στρατηγικές ελέγχου της συχνότητας με αξιοποίηση της ευελιξίας κτιριακών φορτίων και ηλεκτρικών οχημάτων. Εισάγεται μέθοδος στήριξης συχνότητας βασισμένη σε ασαφή λογική και νέους δείκτες εκτίμησης της ευελιξίας του συστήματος θέρμανσης/ψύξης, η οποία επιτρέπει δυναμική προσαρμογή της κατανάλωσης και της αποθήκευσης ενέργειας, διασφαλίζοντας παράλληλα τη θερμική άνεση, την τήρηση τεχνικών περιορισμών και τον περιορισμό των εκπομπών CO₂ των τοπικών μονάδων παραγωγής. 4. Βέλτιστη και συντονισμένη λειτουργία θερμο-ηλεκτρικών μικροδικτύωνΑναπτύσσεται ολοκληρωμένο πλαίσιο βελτιστοποίησης για τον συντονισμένο έλεγχο συστημάτων συμπαραγωγής ηλεκτρισμού-θερμότητας, μεγάλων κτιριακών prosumers και μεγάλου πλήθους συνδεδεμένων στο δίκτυο ηλεκτρικών οχημάτων. Η προτεινόμενη μεθοδολογία επιτυγχάνει ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση του κόστους λειτουργίας, εξομάλυνση του ηλεκτρικού φορτίου του υποσταθμού που συνδέεται το μικροδίκτυο και διασφάλιση μηδενικού ενεργειακού ισοζυγίου, ενσωματώνοντας εκτενές σύνολο τεχνικών και περιβαλλοντικών περιορισμών και εξασφαλίζοντας την επεκτασιμότητα για εφαρμογές μεγάλης κλίμακας. 5. Προσαρμοστικός έλεγχος πραγματικού χρόνου για μικροδίκτυα μηδενικής καθαρής ανταλλαγής ενέργειας με το δίκτυοΔίνεται νέα μαθηματική διατύπωση του θερμικού μοντέλου κτιρίων, στην οποία όλες οι αβεβαιότητες και οι χρονικά μεταβαλλόμενες είσοδοι συγκεντρώνονται σε μια ισοδύναμη είσοδο. Με βάση τη διατύπωση αυτή, αναπτύσσονται προσαρμοστικές στρατηγικές ελέγχου για θερμικά υποσυστήματα κτιρίων και διαχειριζόμενα διασυνδεδεμένα με το δίκτυο ηλεκτρικά οχήματα, επιτυγχάνοντας αυξημένη ευρωστία, ακρίβεια ελέγχου και υπολογιστική αποδοτικότητα σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. 6. Προηγμένος έλεγχος κτιριακών ηλεκτρικών συστημάτων με τεχνητή νοημοσύνηΑναπτύσσεται ολοκληρωμένη μεθοδολογία διαχείρισης ισχύος κτιριακών συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας βασισμένη σε τεχνητά νευρωνικά δίκτυα. Διατυπώνεται ακριβές μοντέλο εκτίμησης της εσωτερικής θερμοκρασίας θερμικών ζωνών, σε συνδυασμό με μεθόδους εκτίμησης των εσωτερικών θερμικών κερδών σε πραγματικό χρόνο. Η προτεινόμενη προσέγγιση επιτρέπει προσαρμοστικό και ακριβή έλεγχο του συστήματος, βελτιώνοντας τη θερμική άνεση και μειώνοντας το μοναδιαίο κόστος ενέργειας. Επιπλέον, αναπτύσσεται μία συμπληρωματική προσέγγιση ελέγχου με χρήση Νευρο-Ασαφών Δικτύων (Neuro-Fuzzy Networks – NFN) και κλασικών τεχνικών πρόβλεψης. Το σύστημα ελέγχου που βασίζεται σε NFN επιτρέπει την ερμηνευσιμότητα των παραμέτρων του, ενώ ταυτόχρονα εξασφαλίζει υψηλή ακρίβεια και αποδοτικότητα. 7. Διαχείριση φορτίου σε ενεργειακές κοινότητες βασισμένες σε μικροδίκτυα Προτείνεται μεθοδολογία συνδυασμένης διαχείρισης ηλεκτρικών και θερμικών φορτίων σε ενεργειακές κοινότητες, με στόχο την εξομάλυνση του φορτίου σε επίπεδο υποσταθμού Υψηλής/Μέσης Τάσης. Η προσέγγιση λαμβάνει υπόψη περιορισμούς θερμικής άνεσης και τεχνικούς περιορισμούς των συστημάτων ψύξης και θέρμανσης, επιτρέποντας οικονομικά αποδοτική μετατόπιση μη κρίσιμων φορτίων και ενίσχυση της ευστάθειας του ηλεκτρικού δικτύου.Όλες οι αναπτυχθείσες μέθοδοι ελέγχου και διαχείρισης ενέργειας σε μικροδίκτυα έχουν επαληθευτεί θεωρητικά, και πρακτικά με προσομοιώσεις λεπτομερών αναλυτικών μοντέλων (των αλγορίθμων διαχείρισης και ελέγχου ενέργειας και όλων των συνιστωσών του ενεργειακού συστήματος ενός πολύπλοκου μικροδικτύου).