Βέλτιστος σχεδιασμός και διαχείριση ενέργειας οικιακού μικροδικτύου με ανανεώσιμες πηγές και σύστημα αποθήκευσης

Abstract

In this PhD dissertation, an integrated methodology for the design and energy management of the devices and subsystems that compose a residential microgrid of household installation is presented. The proposed methodology provides on the one hand, optimal management of the electric energy consumed by the appliances and produced by the domestic Renewable Energy Sources (RES), and on the other hand, optimal selection of the required equipment of RES and battery storage system (BSS). Therefore, it consists of two independent and complementary optimization components that have the common goal of improving the performance of the nearly zero energy building (nZEB). The first component of the proposed methodology includes the strategy of controlling the operation of the electrical appliances of the nZEB’s microgrid and the indoor heating and cooling subsystem, the management of the energy produced by the domestic RES and the regulation of the energy flow from/to the BSS. The main objectives are, on the one hand, the reduction of electricity absorbed by the grid and the reduction of the energy cost, and on the other hand, the protection of the residents’ comfort by keeping it at a desired level. The effectiveness and functionality of the proposed energy management method have been verified through Processor-in-the-Loop (PiL) and Hardware-in-the-Loop (HiL) systems. From the PiL and HiL experimental results of the operation of the building microgrid using the proposed control strategy, it has been validated that significant reduction in the energy exchanged with the main network is achieved as well as reduction of the energy cost in the building. Various operating scenarios have been examined and several experimental results are presented. The second component refers to the methodology for the optimal dimensioning of the rated power and energy of the RES (photovoltaics and small wind turbines), and the optimal energy capacity, maximum/minimum state of charge (SoC) and rate/depth of charge/discharge of the BSS. The proposed methodology is based on the analysis of the energy consumption and production at the home microgrid, considering the operation of the energy management system and the most important parameters that may affect the performance of the nZEB. The functionality and the effectiveness of the method has been validated through a simulation model developed in the MATLAB-Simulink. Various operating scenarios were examined, which verify that the proposed method can provide the optimal solution for the required nZEB equipment considering both the technological and the economic aspect of the problem. Specifically, it has been validated that the proposed method gives the best choice of building equipment by finding an optimal balance between the preferences of the user for the lowest initial investment cost and the optimal performance and operation of the nZEB microgrid. In conclusion, the goal of the PhD dissertation for the improvement in the design and performance of a nZEB has been accomplished through two parallel and interconnected research directions. The two methodologies constitute a comprehensive residential building optimization strategy that has the desired characteristics of practicality, easy implementation, and functionality.

Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία σχεδιασμού και διαχείρισης ενέργειας των συσκευών και των υποσυστημάτων που συνθέτουν ένα οικιακό μικροδίκτυο οικιακής εγκατάστασης. Η προτεινόμενη μεθοδολογία παρέχει αφενός τη βέλτιστη διαχείριση της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνουν οι συσκευές και παράγεται από τις τοπικές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) και αφετέρου τη βέλτιστη επιλογή του απαιτούμενου εξοπλισμού ΑΠΕ και συστήματος αποθήκευσης ενέργειας (ΣΑΕ) μπαταριών. Επομένως, αποτελείται από δύο ανεξάρτητα και συμπληρωματικά στοιχεία βελτιστοποίησης που έχουν κοινό στόχο τη βελτίωση της απόδοσης του κτιρίου σχεδόν μηδενικής ενέργειας (nZEB). Το πρώτο στοιχείο της προτεινόμενης μεθοδολογίας περιλαμβάνει τη στρατηγική ελέγχου της λειτουργίας των ηλεκτρικών συσκευών του μικροδικτύου του nZEB και του υποσυστήματος θέρμανσης και ψύξης εσωτερικών χώρων, τη διαχείριση της ενέργειας που παράγεται από τις οικιακές ΑΠΕ και τη ρύθμιση της ροής ενέργειας από/προς το ΣΑΕ. Βασικοί στόχοι είναι αφενός η μείωση της ηλεκτρικής ενέργειας που απορροφάται από το δίκτυο και η μείωση του ενεργειακού κόστους και αφετέρου η προστασία της άνεσης των κατοίκων διατηρώντας την σε επιθυμητό επίπεδο. Η αποτελεσματικότητα και η λειτουργικότητα της προτεινόμενης μεθόδου διαχείρισης ενέργειας έχουν επαληθευτεί μέσω των συστημάτων Processor-in-the-Loop (PiL) και Hardware-in-the-Loop (HiL). Από τα πειραματικά αποτελέσματα PiL και HiL της λειτουργίας του κτιριακού μικροδικτύου χρησιμοποιώντας την προτεινόμενη στρατηγική ελέγχου, επικυρώθηκε ότι επιτυγχάνεται σημαντική μείωση της ενέργειας που ανταλλάσσεται με το κύριο δίκτυο καθώς και μείωση του ενεργειακού κόστους στο κτίριο. Έχουν εξεταστεί διάφορα σενάρια λειτουργίας και παρουσιάζονται αρκετά πειραματικά αποτελέσματα. Το δεύτερο στοιχείο αναφέρεται στη μεθοδολογία για τη βέλτιστη διαστασιολόγηση της ονομαστικής ισχύος και ενέργειας των ΑΠΕ (φωτοβολταϊκά και μικρές ανεμογεννήτριες), και τη βέλτιστη ενεργειακή χωρητικότητα, μέγιστη/ελάχιστη κατάσταση φόρτισης (SoC) και ρυθμό/βάθος φόρτισης/εκφόρτιση του ΣΑΕ. Η προτεινόμενη μεθοδολογία βασίζεται στην ανάλυση της κατανάλωσης και παραγωγής ενέργειας στο οικιακό μικροδίκτυο, λαμβάνοντας υπόψη τη λειτουργία του συστήματος διαχείρισης ενέργειας και τις σημαντικότερες παραμέτρους που ενδέχεται να επηρεάσουν την απόδοση του nZEB. Η λειτουργικότητα και η αποτελεσματικότητα της μεθόδου έχει επικυρωθεί μέσω ενός μοντέλου προσομοίωσης που αναπτύχθηκε στο MATLAB-Simulink. Εξετάστηκαν διάφορα σενάρια λειτουργίας, τα οποία επαληθεύουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος μπορεί να δώσει τη βέλτιστη λύση για τον απαιτούμενο εξοπλισμό nZEB λαμβάνοντας υπόψη τόσο την τεχνολογική όσο και την οικονομική πτυχή του προβλήματος. Συγκεκριμένα, έχει επικυρωθεί ότι η προτεινόμενη μέθοδος δίνει την καλύτερη επιλογή κτιριακού εξοπλισμού βρίσκοντας τη βέλτιστη ισορροπία μεταξύ των προτιμήσεων του χρήστη για το χαμηλότερο αρχικό κόστος επένδυσης και της βέλτιστης απόδοσης και λειτουργίας του μικροδικτύου nZEB. Συμπερασματικά, ο στόχος της διδακτορικής διατριβής για τη βελτίωση του σχεδιασμού και της απόδοσης ενός nZEB έχει επιτευχθεί μέσα από δύο παράλληλες και αλληλένδετες ερευνητικές κατευθύνσεις. Οι δύο μεθοδολογίες αποτελούν μια ολοκληρωμένη στρατηγική βελτιστοποίησης κτιρίων κατοικιών που έχει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά πρακτικότητας, εύκολης υλοποίησης και λειτουργικότητας.