title: Energy management and Real-Time operation of microgrids of large building complexes


title: Διαχείριση ενέργειας και λειτουργία πραγματικού χρόνου μικροδικτύων μεγάλων κτιριακών συγκροτημάτων
Creators: name: Κυριακου Δημητρα
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: The present and future conditions in the energy market impose extremely high standards to the operation of building energy systems. Moreover, distribution networks face new operational and technical challenges as a result of the rapid penetration of renewable energy sources (RES) and other forms of distributed generation. Consequently, Active Distribution Networks (ADNs) will play a crucial role in the exploitation of smart building prosumers, smart grids and RES.
In this work, advanced, fully parametric systems for the optimal energy management and real-time joint operation of large building complex microgrids and the hosting active distribution network is developed. The examined energy systems include buildings scaling from simple residential ones up to mega office or commercial buildings, single Plug-in Electric Vehicles (PEVs) up to large PEV parking lots, local power generators, PVs and wind turbines. The modeling of the examined system’s components is performed, including those of the thermal and electrical loads of the buildings with the latter being divided in critical and non-critical loads that can be shifted in time. Moreover, a dynamic equivalent aggregate battery model for the cluster of PEVs hosted by the parking lots of the microgrid is developed. Finally, building local power generation units modeling is carried out and suitable optimal power flow algorithms are applied to ADNs hosting microgrids of building prosumers. The ADN-microgrid joint operation scheduling is executed with the purpose of minimizing microgrid’s total energy cost on the assumption of the operation under variable electricity price. Specifically, it provides the optimal total electric power demand of the HVAC systems and optimally shifts building non-critical electrical loads. Moreover, the charging of the hosted PEVs and the operation of the local power generation units are optimally scheduled. Efficient optimization techniques are first applied at microgrid scale to facilitate the optimization process and sub-optimization problems are then solved in order to optimally dispatch the total power demand of microgrid to its components. To this end, suitable flexibility indices are developed for each type of microgrid component. At the same time, a large number of constraints including all the operation and technical constraints of the components of the microgrid and the active distribution network it is connected to, are satisfied. Moreover, the microgrid is able to provide frequency support. Frequency support is enhanced and optimized by suitably exploiting the flexibility of building prosumers and PEVs. Frequency is also supported by adjusting the power of the building local generation units and by suitably adjust their non-critical loads in an optimal way according to their flexibility. In addition, the reactive power is optimally regulated in order to maintain the local voltages of the microgrid and the hosting distribution network within the permissible limits. All the developed models at different microgrid integration levels and algorithms are verified through the simulation of realistic case studies. 

description: Οι σημερινές και μελλοντικές συνθήκες στην αγορά ενέργειας επιβάλλουν εξαιρετικά υψηλές προδιαγραφές στη λειτουργία των ενεργειακών συστημάτων των κτιρίων. Επιπλέον, τα δίκτυα διανομής αντιμετωπίζουν νέες λειτουργικές και τεχνικές προκλήσεις ως αποτέλεσμα της ταχείας διείσδυσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) και άλλων μορφών κατανεμημένης παραγωγής. Συνεπώς, τα Ενεργά Δίκτυα Διανομής θα διαδραματίσουν κρίσιμο ρόλο στην εκμετάλλευση των έξυπνων καταναλωτών-παραγωγών κτιρίων, των έξυπνων δικτύων και των ΑΠΕ.
Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσονται προηγμένα, πλήρως παραμετρικά συστήματα για τη βέλτιστη διαχείριση ενέργειας και την κοινή λειτουργία σε πραγματικό χρόνο του ενεργού δικτύου διανομής και των μεγάλων κτιριακών μικροδικτύων που φιλοξενούν. Tα ενεργειακά συστήματα που εξετάζονται περιλαμβάνουν κτίρια που κλιμακώνονται από απλές κατοικίες μέχρι πολύ μεγάλα κτίρια που στεγάζουν γραφεία ή εμπορικά κτίρια, μεμονωμένα ηλεκτρικά οχήματα μέχρι μεγάλους χώρους στάθμευσης ηλεκτρικών οχημάτων, τοπικές γεννήτριες, φωτοβολταϊκά και ανεμογεννήτριες. Πραγματοποιείται η μοντελοποίηση των στοιχείων του εξεταζόμενου συστήματος, συμπεριλαμβανομένων αυτών των θερμικών και ηλεκτρικών φορτίων των κτιρίων με τα τελευταία να χωρίζονται σε κρίσιμα και μη κρίσιμα ηλεκτρικά φορτία που μπορούν να μετατοπιστούν χρονικά. Επιπλέον, αναπτύσσεται ένα δυναμικό ισοδύναμο μοντέλο μπαταρίας για την ομάδα των ηλεκτρικών οχημάτων που φιλοξενούνται στους χώρους στάθμευσης του μικροδικτύου. Τέλος, πραγματοποιείται η μοντελοποίηση των κτιριακών τοπικών μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και εφαρμόζονται κατάλληλοι αλγόριθμοι βέλτιστης ροής ισχύος σε ενεργά δίκτυα διανομής που φιλοξενούν μικροδίκτυα καταναλωτών-παραγωγών κτιρίων. Ο προγραμματισμός της κοινής λειτουργίας ενεργού δικτύου διανομής-μικροδικτύου εκτελείται με σκοπό την ελαχιστοποίηση του συνολικού ενεργειακού κόστους του μικροδικτύου με την παραδοχή της λειτουργίας υπό μεταβλητή τιμή ηλεκτρικής ενέργειας. Συγκεκριμένα, παρέχει τη βέλτιστη συνολική ζήτηση ηλεκτρικής ισχύος των HVAC συστημάτων και μετατοπίζει βέλτιστα τα μη κρίσιμα ηλεκτρικά φορτία των κτιρίων. Επιπλέον, η φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων, καθώς και η λειτουργία των τοπικών μονάδων ηλεκτροπαραγωγής προγραμματίζονται βέλτιστα. Εφαρμόζονται αρχικά αποτελεσματικές τεχνικές βελτιστοποίησης σε κλίμακα μικροδικτύου για να διευκολυνθεί η διαδικασία βελτιστοποίησης και στη συνέχεια επιλύονται υποπροβλήματα βελτιστοποίησης προκειμένου να κατανεμηθεί βέλτιστα η συνολική ζήτηση ισχύος του μικροδικτύου. Για το σκοπό αυτό, αναπτύσσονται κατάλληλοι δείκτες ευελιξίας για κάθε στοιχείο μικροδικτύου. Ταυτόχρονα, ικανοποιείται ένας μεγάλος αριθμός περιορισμών, συμπεριλαμβανομένων όλων των λειτουργικών και τεχνικών περιορισμών των στοιχείων του μικροδικτύου και του ενεργού δικτύου διανομής στο οποίο είναι συνδεδεμένο. Επιπλέον, το μικροδίκτυο έχει τη δυνατότητα στήριξης της συχνότητας. Η στήριξη συχνότητας ενισχύεται και βελτιστοποιείται με την κατάλληλη αξιοποίηση της ευελιξίας των κτιριακών συγκροτημάτων και των ηλεκτρικών οχημάτων. Η συχνότητα στηρίζεται επίσης με τη ρύθμιση της ισχύος των τοπικών μονάδων παραγωγής, καθώς και με την κατάλληλη προσαρμογή των μη κρίσιμων ηλεκτρικών φορτίων των κτιρίων με βέλτιστο τρόπο ανάλογα με την ευελιξία τους. Επιπλέον, η άεργος ισχύς ρυθμίζεται βέλτιστα ώστε να διατηρούνται οι τοπικές τάσεις του μικροδικτύου και του ενεργού δικτύου διανομής εντός των επιτρεπτών ορίων. Όλα τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν σε διάφορα επίπεδα του μικροδικτύου και οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι επαληθεύονται μέσω προσομοίωσης ρεαλιστικών σεναρίων λειτουργίας.