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Yassuda Yamashita, Daniela
Universite de Poitiers, Ecole doctorale Sciences et Ingenierie des Systemes, Mathematiques, Informatique - Sismi, Ecole nationale superieure d'ingenieurs, Laboratoire d'informatique et d'automatique pour les systemes - Lias, Poitiers (France)2021
Universite de Poitiers, Ecole doctorale Sciences et Ingenierie des Systemes, Mathematiques, Informatique - Sismi, Ecole nationale superieure d'ingenieurs, Laboratoire d'informatique et d'automatique pour les systemes - Lias, Poitiers (France)2021
AbstractAbstract
[en] Representing more than one-third of global electricity consumption, buildings undergo the most important sector capable of reducing greenhouse gas emissions and promote the share of Renewable Energy Sources (RES). The integrated RES and electric energy storage system in buildings can assist the energy transition toward a low-carbon electricity system while allowing end-energy consumers to benefit from clean energy. Despite its valuable advantages, this innovative distributed Building MicroGrid (BMG) topology requires significant changes in the current electric grid, which is highly dependent on grid energy policies and technology breakthroughs. The complexity of designing a robust Energy Management System (EMS) capable of managing all electric components inside the microgrid efficiently without harming the main grid stability is one of the greatest challenges in the development of BMG. To mitigate the harmful effects of unpredictable grid actors, the concept of self-consumption has been increasingly adopted. Nonetheless, further technical-economic analysis is needed to optimally manage the energy storage systems to attain higher marks of self-consumption. Facing these issues, the purpose of this doctoral thesis is to propose a complete framework for designing a building EMS for microgrids installed in buildings capable of maximising the self- consumption rate at minimum operating cost. Among all possible control architectures, the hierarchical structure has proved effective to handle conflicting goals that are not in the same time frame. Hence, a Hierarchical Model Predictive (HMPC) control structure was adopted to address the uncertainties in the power imbalance as well as the trade-off between costs and compliance with the French grid code. Considering that buildings are not homogeneous and require solutions tailored to their specific conditions, the proposed controller was enhanced by two data-driven modules. The first data-driven algorithm is to handle inaccuracies in HMPC internal models. Without needing to tune any parameter, this algorithm can enhance the accuracy of the battery model up to three times and improve up to ten times the precision of the hydrogen storage model. This makes the building EMS more flexible and less dependent on pre-modelling steps. The second data-oriented algorithm determines autonomously adequate parameters to HMPC to relieve the trade-off between economic and energy aspects. Relying only on power imbalance data analysis and local measurements, the proposed hierarchical controller determines which energy storage device must run daily based on the estimation of the annual self-consumption rate and the annual microgrid operating cost. These estimations decrease microgrid expenditure because it avoids grid penalties regarding the requirements of annual self-consumption and reduces the degradation and maintenance of energy storage devices. The proposed EMS also demonstrated being capable of exploiting the potentials of shifting in time the charging of batteries of plug-in electric vehicles. The simulation confirmed that the proposed controller preferably charges electric vehicles' batteries at periods of energy surplus and discharges them during periods of energy deficit, leading the building microgrid to reduce grid energy exchange. The results also showed that electric vehicle batteries' contribution depends on the size of the vehicle parking, their arrival and departure time, and the building's net power imbalance profile. In conclusion, through simulations using the dataset of both public and residential buildings, the proposed hierarchical building EMS proved its effectiveness to handle different kinds of energy storage devices and foster the development of forthcoming building microgrids. (author)
[fr]
Representant plus d'un tiers de la consommation mondiale d'electricite, les batiments sont le secteur energetique majeur pour promouvoir l'usage des energies renouvelables. L'installation a la fois de sources d'energie renouvelable et d'un systeme de stockage d'energie electrique dans les batiments peut favoriser la transition energetique vers un systeme electrique a faible emission de carbone, tout en permettant aux consommateurs d'energie finaux de beneficier d'une energie propre. Malgre tous ces avantages, cette topologie innovante et distribuee d'un Micro-reseau dedie au Batiment (MB) necessite des changements importants dans le reseau actuel, qui depend des politiques energetiques et d'avancement technologiques. La conception d'un Systeme de Gestion de l'Energie (EMS) capable de gerer efficacement les composants electriques du micro-reseau sans menacer la stabilite du reseau principal est un obstacle au developpement des MB. Pour attenuer les effets nefastes introduits par des acteurs d'energie imprevisibles, le concept d'autoconsommation est de plus en plus adopte. Neanmoins, une analyse technico-economique plus approfondie est necessaire pour piloter d'une maniere optimale des systemes de stockage d'energie afin d'atteindre des indices d'autoconsommation plus eleves. Face a ces enjeux, le but de ce doctorat est de proposer un EMS pour les micro-reseaux installes dans les batiments afin de maximiser leur taux d'autoconsommation a un cout d'exploitation minimum. Parmi les architectures de controle, la structure hierarchique s'est averee efficace pour gerer des objectifs contradictoires qui ne sont pas dans la meme echelle de temps. Ainsi, une structure de controle Hierarchique a Modele Predictif (HMPC) a ete adoptee pour remedier aux incertitudes liees aux desequilibres de puissance ainsi qu'etablir un compromis entre la reduction du cout de fonctionnement et le respect du code de l'energie francais. Considerant que les batiments ne sont pas homogenes et necessitent des solutions adaptees a leur besoin, le controleur propose a ete couple a deux modules fonctionnant a base d'analyse de donnees. Le premier algorithme consiste a gerer les inexactitudes dans les modeles internes de l'HMPC. Sans avoir besoin de regler aucun parametre, cet algorithme ameliore la precision du modele de batteries jusqu'a trois fois et augmente jusqu'a dix fois la precision du modele de stockage d'hydrogene, reduisant ainsi la dependance de l'EMS aux etapes de modelisation. Le deuxieme algorithme determine de maniere autonome les parametres de l'HMPC et facilite le compromis entre les aspects economiques et energetiques. S'appuyant uniquement sur l'analyse des donnees de desequilibre de puissance et des mesures, le controleur hierarchique specifie quel dispositif de stockage d'energie doit fonctionner quotidiennement en fonction de l'estimation du taux d'autoconsommation et du cout de fonctionnement du micro-reseau. Ces estimations diminuent les depenses annuelles du micro-reseau en evitant la penalisation en ce qui concerne les exigences d'autoconsommation et en reduisant la degradation et l'entretien des systemes de stockage d'energie. L'EMS propose s'est egalement revele capable de charger de preference les batteries des vehicules electriques en periode de surplus d'energie et les decharger pendant les periodes de deficit pour reduire les echanges d'energie avec le reseau principal. Les resultats ont aussi montre que la contribution des batteries de vehicules electriques depend de la taille du parc de vehicules, de leur temps de connexion et du profil de desequilibre de puissance. En conclusion, a travers les simulations utilisant le dimensionnement reel d'un batiment public et residentiel, l'EMS hierarchique s'est avere efficace pour gerer de nombreux dispositifs de stockage d'energie et contribuer a l'essor de micro-reseaux dedies aux batiments a l'avenir. (auteur)Original Title
Commande hierarchique pour les micro-reseaux dedies aux batiments
Primary Subject
Source
28 Apr 2021; 256 p; 242 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; These Docteur de l'Universite de Poitiers, Secteur de recherche: Genie electrique
Record Type
Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
ALGORITHMS, BATTERY CHARGE STATE, COMPUTERIZED SIMULATION, COST BENEFIT ANALYSIS, COST ESTIMATION, ELECTRIC-POWERED VEHICLES, ENERGY MANAGEMENT SYSTEMS, HYDROGEN STORAGE, LITHIUM ION BATTERIES, ON-SITE POWER GENERATION, OPTIMIZATION, PHOTOVOLTAIC POWER SUPPLIES, POWER DISTRIBUTION SYSTEMS, PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELLS, PUBLIC BUILDINGS, REAL TIME SYSTEMS, REGRESSION ANALYSIS, RESIDENTIAL BUILDINGS
BUILDINGS, CONTROL SYSTEMS, DIRECT ENERGY CONVERTERS, ECONOMIC ANALYSIS, ECONOMICS, ELECTRIC BATTERIES, ELECTROCHEMICAL CELLS, ELECTRONIC EQUIPMENT, ENERGY STORAGE SYSTEMS, ENERGY SYSTEMS, EQUIPMENT, FUEL CELLS, MATHEMATICAL LOGIC, MATHEMATICS, POWER GENERATION, POWER SUPPLIES, SIMULATION, SOLAR EQUIPMENT, SOLID ELECTROLYTE FUEL CELLS, STATISTICS, STORAGE, VEHICLES
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