Μοντελοποίηση και προβλεπτικός έλεγχος διεσπαρμένων συστημάτων συμπαραγωγής

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη ενεργειακών υβριδικών συστημάτων διεσπαρμένης παραγωγής που βρίσκουν εφαρμογή στον οικιακό τομέα. Συγκεκριμένα εξετάζεται η λειτουργία της εγκατάστασης μονάδων συμπαραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας. Το σύστημα αποτελείται από τη γεννήτρια συμπαραγωγής τύπου Stirling, ένα βοηθητικό καυστήρα, μία μπαταρία αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας και μια δεξαμενή αποθήκευσης θερμού νερού. Το σύστημα έχει τη δυνατότητα επικοινωνίας με το κεντρικό δίκτυο ηλεκτρισμού για την αγορά και πώληση ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, εξετάζεται η συμπεριφορά της λειτουργίας πολλών διασυνδεδεμένων μονάδων συμπαραγωγής που σχηματίζουν ένα μικροδίκτυο.

Ζητούμενο είναι η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας προβλεπτικού ελέγχου (MPC) η οποία θα αντιμετωπίζει αποτελεσματικά το πρόβλημα της ρύθμισης του συστήματος, ενώ παράλληλα θα χαρακτηρίζεται από χαμηλές υπολογιστικές απαιτήσεις. Σε αντίθεση με τα συμβατικά προβλήματα MPC τετραγωνικού προγραμματισμού όπου στόχος είναι η παρακολούθηση μιας τροχιάς αναφοράς, το πρόβλημα MPC που διαμορφώνεται στη διπλωματική εργασία είναι μικτού ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού (Mixed Integer Linear Programming – MILP) και ελαχιστοποιεί τη συνάρτηση λειτουργικού κόστους. Ο σχεδιασμός και η προσομοίωση του συστήματος έγινε με τη βοήθεια του προγράμματος Matlab.

The purpose of this diploma thesis is to study energy hybrid systems of distributed generation that find application in residential sector. More specifically this study examines the operation of cogeneration units which simultaneously produce electrical and thermal energy. The considered system consists of the cogenerator (Stirling engine), an auxiliary burner, a battery storage of electricity and a hot water storage tank. The system is able to communicate with the central electrical grid for the purchase and sale of electricity. Emphasis is given in the performance of many interconnected cogeneration units that form a microgrid.

The main goal is to develop a Model Predictive Control methodology which will effectively address the problem of controlling the system. It is important to be characterized by low computational requirements so that proper decisions can be made in short period of time. In contrast to conventional MPC quadratic programming problems, where the goal is to monitor a reference trajectory, the MPC problem formed in this thesis is a mixed integer linear programming (MILP) one and minimizes the operating cost function. Design and simulation of the system performed using Matlab program.