Analysis and Application of Model Predictive Control in Energy Systems

Drivhusgasemissioner er de primære faktorer, der forårsager klimaforandringer og global opvarmning, hvor omkring tre fjerdedele af de samlede drivhusgasemissioner tilskrives energirelaterede aktiviteter. Dette understreger betydningen af at forbedre energieffektiviteten for at opnå CO2-neutralitet og bæredygtig udvikling. Avancerede kontrolstrategier kan lette energieffektiv/omkostningseffektiv drift af energisystemer. Model prædiktiv kontrol (MPC), en populær avanceret kontrolalgoritme, har fået meget opmærksomhed, og har demonstreret fremragende kontrolevne i forskellige applikationer.
I lyset af termiske energisystemers iboende mangfoldighed og kompleksitet, bør anvendelsen af MPC i termiske energisystemer, af forskellige typer og skalaer, undersøges, for fuldt ud at udnytte dets potentielle fordele. Denne afhandling har til formål at identificere og demonstrere, hvordan MPC kan muliggøre energieffektiv/omkostningseffektiv drift af termiske energisystemer i forskellige skalaer. For at opnå dette, blev der udført numeriske eksperimenter med MPC på forskellige casestudier. Da andelen af drivhusgasemissioner fra bygninger og industrisektorer i de samlede drivhusgasemissioner er ikke-triviel, fokuserer afhandlingen på tre casestudier bestående af bygninger, PCM-baserede ventilationssystemer og drivhusenergisystemer. De udvalgte casestudier dækker termiske energisystemer på bygningsrumsniveau, varme-, ventilations- og klimaanlæg komponentniveau og relativt stort industriniveau.
For at nå formålet med afhandlingen, udvikles først dynamiske simuleringsmodeller af forskellige casestudie termiske energisystemer, til at analysere energiproduktion, lagring og forbrug. Dernæst implementeres MPC for forskellige termiske energisystemer ved hjælp af forskellige kontrolmodeller og værktøjskæder, for at demonstrere dets gennemførlighed og anvendelighed. For hvert energisystem, opsættes, simuleres og sammenlignes den tilsvarende regelbaserede controller (RBC) med MPC, for at benchmarke og manifestere fordelene ved MPC. Til sidst udføres følsomhedsanalyse under hensyntagen til forskellige forstyrrelser, således at robustheden af den udviklede MPC evalueres, begrænsningerne fremhæves.
Med en systematisk undersøgelse af MPC på tre termiske energisystemer i forskellige skalaer, drages en omfattende konklusion. Kort sagt, gennemførligheden af at anvende MPC til forskellige termiske energisystemer, for at forbedre energieffektiviteten og reducere driftsomkostningerne er undersøgt, identificeret og demonstreret. Evalueringsresultaterne fremhæver MPC opsætningernes og forstyrrelsernes indflydelse på kontrolydelsen. MPC udviser også begrænsninger, og overgår ikke nødvendigvis RBC. Fordelene ved MPC sammenlignet med RBC afhænger i høj grad af opsætningerne for både MPC og RBC samt evalueringsmetrikkerne.