An integrated framework for modelling and control of eP2P interactions based on model predictive control
- Autores: Pablo Báez González
- Directores de la Tesis: Carlos Bordóns Alba (dir. tes.), Miguel Angel Ridao Carlini (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Número de páginas: 160
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eduardo Fernández Camacho (presid.), Ascensión Zafra Cabeza (secret.), Félix García Torres (voc.), Gilney Damm (voc.), José Manuel Andújar Márquez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Automática, Electrónica y de Telecomunicación por la Universidad de Sevilla
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
- español
El paradigma energético está experimentando cambios sustanciales en los últimos años. En cuanto a la producción, se observa cómo la generación distribuida, con un aporte cada vez mayor de fuentes renovables, está desplazando a las grandes plantas de generación concentrada. Pero el cambio fundamental no consiste tanto en el suministro de energía como en la dilución de la clasificación tradicional entre productores y consumidores para dar paso al concepto de prosumidores. Es decir, en lugar de ser simplemente consumidores de energía, los hogares y las industrias también se convierten en productores. En principio, el objetivo de esta producción, que es intrínsecamente distribuida, es el autoconsumo. Sin embargo, cuando hay un excedente de producción, los prosumidores pueden elegir entre almacenar el excedente, si tienen un sistema de almacenamiento de energía, o vender la fracción no utilizada de la energía. Un tipo obvio de prosumidores son aquellas industrias que cuentan con instalaciones de generación renovable y que, como consecuencia de su proceso de producción, generan subproductos que pueden ser utilizados para la cogeneración. En este caso, un problema obvio para la empresa es seleccionar en todo momento las fuentes de energía que minimizan el coste de producción, lo que se conoce como Optimal Power Dispatch (OPD). Si, además, se conoce el perfil temporal de consumo de energía asociado al proceso de fabricación (por unidad de materia prima introducida), también es posible realizar un programa de producción óptimo para minimizar el coste de la energía, lo cual se denomina Optimal Power Scheduling (OPS). El capítulo 3 presenta un Controlador Predictivo Económico basado en Modelo (EMPC) que realiza simultáneamente OPD y OPS utilizando como caso de estudio una almazara olivarera. La aparición de la figura de los prosumidores energéticos hace necesario ampliar, mejorar o sustituir los mecanismos tradicionales de intercambio energético. Esta tesis incluye enfoques novedosos para modelar el comportamiento de los prosumidores. También propone nuevas estructuras para facilitar el comercio de energía, siempre desde la perspectiva de la peerificación del paradigma energético. Así, otra línea de investigación estudia el establecimiento de mercados peer-to-peer (P2P) para el intercambio de energía entre prosumidores heterogéneos (viviendas, vehículos, edificios inteligentes, etc.). Se compara la eficiencia de los mercados basados tanto en subastas dobles discretas (Discrete Double Auction - DDA) como en subastas dobles continuas (Continuous Double Auctions - CDA). También se introduce un Sistema de Gestión Energética (Energy Management System - EMS) que incluye un software de agente de mercado que permite que las tareas necesarias para la participación en las subastas (determinación de la valoración privada, selección de roles y adaptación de precios) se lleven a cabo automáticamente. Los capítulos 4, 5 y 6 presentan algunos ejemplos de estos mercados de intercambio establecidos entre diferentes tipos de prosumidores: i) mercado de energía para vehículos eléctricos que coinciden aparcados en un gran lugar de trabajo, ii) mercado de energía para hogares dentro de un mismo barrio y iii) mercados integrados de energía y electricidad para entidades energéticas heterogéneas. La evolución de los mecanismos mencionados y la aparición de nuevos modelos de mercado deben ir acompañados del desarrollo de técnicas de control que optimicen y automaticen todos los procesos relacionados con el ahorro y la comercialización de la energía, por parte de un conjunto de prosumidores cada vez más heterogéneos. Esta tesis trata de cómo las diferentes variantes de los controladores predictivos pueden contribuir a este último aspecto. Para las industrias con capacidad de cogeneración, el EMPC contribuye a la programación óptima de la producción para maximizar el rendimiento de la reutilización de la energía, ya sea a través del autoconsumo o de la comercialización de excedentes. Por otro lado, se propone el uso del control predictivo estocástico para maximizar el rendimiento esperado de la participación de los prosumidores, cualquiera que sea su tipo, en mercados P2P donde el precio de la energía está sujeto a incertidumbres.
- English
The energy paradigm is undergoing substantial changes in recent years. In terms of production, it is observable how distributed generation, with an ever-increasing contribution from renewable sources, is displacing large concentrated generation plants. But the fundamental change is not so much about energy supply as about diluting the historical roles of producers and consumers to give way to the concept of prosumers. That is, instead of just being energy consumers, households and industries also become producers. In principle, the purpose of this production, which is inherently distributed, is self-consumption. However, when there is a surplus of production, prosumers can choose between storing the excess, if they have an energy storage system, or sell the unused fraction of energy. An obvious type of prosumers are those industries that have renewable generation facilities and which, as a consequence of their production process, generate by-products that can be used for cogeneration. In this case an obvious problem for the company is to select at all times the power sources that minimize the cost of production, which is known as Optimal Power Dispatch (OPD). If, in addition, the energy consumption time profile of the manufacturing process (per unit of raw material introduced) is known, it is also possible to make an optimal production schedule to minimize energy cost, which is called Optimal Power Scheduling (OPS). Chapter 3 presents an Economic Model Predictive Controller (EMPC) that simultaneously performs OPD and OPS using an olive mill as an example. The emergence of the role of energy prosumers makes it necessary to extend, improve or replace the traditional mechanisms of energy exchange. This thesis includes novel approaches for modelling the behaviour of prosumers. It also proposes new structures to facilitate energy trading, always from the perspective of the peerification of the energy paradigm. Thus, another line of research studies the establishment of peer-to-peer (P2P) markets for the exchange of energy between heterogeneous prosumers (homes, vehicles, intelligent buildings, etc.). The efficiency of markets based on both discrete double auctions (DDAs) and continuous double auctions (CDAs) is compared. An Energy Management System (EMS) is also introduced including market agent software that allows the necessary tasks for participation in the auctions to be carried out automatically (determination of private valuation, role selection and price adaptation). Chapter 4, Chapter 5 and Chapter 6 present some examples of such exchange markets stablished between different types of prosumers: i) energy market for electric vehicles that coincide parked in a large workplace, ii) power market for households within the same neighbourhood and iii) integrated energy and power markets for heterogeneous energy entities. The evolution of aforementioned mechanisms and the appearance of new market models must be accompanied by the development of control techniques that optimise and automate all the processes related to energy saving and trading, by a group of increasingly heterogeneous prosumers. This thesis deals with how different variants of predictive controllers can contribute to this last aspect. For industries with cogeneration capacity, the EMPC contributes to the optimal scheduling of production to maximise the return from energy reuse, either through self-consumption or through the trading of surpluses. The use of stochastic predictive control is proposed in order to maximise the expected return on the participation of prosumers, whatever their type, in continuous markets where the price of energy may undergo stochastic variations.
- español
