Ανάπτυξη συστημάτων διαχείρισης ενέργειας που ενσωματώνουν υπολογιστική νοημοσύνη για το σχεδιασμό και έλεγχο αυτόνομων μικροδικτύων

Abstract

Η αύξηση του ανθρώπινου πληθυσμού, η αστικοποίηση και ο εκσυγχρονισμός του τρόπου ζωής έχουν οδηγήσει σε ένα από τα πιο αξιοσημείωτα ζητήματα της παγκόσμιας ατζέντας, που είναι η συνεχής αύξηση της παγκόσμιας ζήτησης ενέργειας. Σήμερα, εκατομμύρια άνθρωποι δε μπορούν να καλύψουν τις ενεργειακές τους ανάγκες και επίσης υπάρχουν πολλές περιοχές παγκοσμίως χωρίς πρόσβαση σε δίκτυο ηλεκτροδότησης. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το πρόβλημα της ηλεκτροδότησης αντιμετωπίζεται κυρίως με τη χρήση ηλεκτρογεννητριών που χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα που έχουν σημαντικό περιβαλλοντικό αντίκτυπο, η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι μια εναλλακτική, βιώσιμη και φιλική προς το περιβάλλον λύση. Η ραγδαία χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει οδηγήσει στην αλλαγή της λειτουργίας των δικτύων, όπου η χρήση υβριδικών συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, συστήματα αποθήκευσης και ηλεκτρογεννήτριες σχηματίζουν επιμέρους υποδίκτυα, τα οποία ονομάζονται μικροδίκτυα. Τα μικροδίκτυα βασίζονται στην κατανεμημένη παραγωγή ισχύος με τη χρήση ανανεώσιμων πηγών και αναδεικνύονται στα πιο εξελιγμένα τεχνολογικά δίκτυα. Τα μικροδίκτυα μπορούν να λειτουργήσουν είτε σε διασύνδεση με κεντρικό δίκτυο ηλεκτροδότησης είτε αυτόνομα καλύπτοντας τις ανάγκες της περιοχής που εξυπηρετούν. Ένα ακόμη σημαντικό διεθνές κοινωνικό πρόβλημα αποτελεί η διαθεσιμότητα πόσιμου νερού. Οι περισσότερες περιοχές στο κόσμο που αντιμετωπίζουν έλλειψη πόσιμου νερού είναι κυρίως παράκτιες ή νησιωτικές, που όμως διαθέτουν υψηλό ηλιακό ή/και αιολικό δυναμικό. Οπότε, ο συνδυασμός συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας με συστήματα αφαλάτωσης αποτελεί μία ιδανική λύση για τη παροχή υψηλής ποιότητας καθαρού νερού. Επίσης, ένας πολύ σημαντικός λόγος της αύξησης στη κατανάλωση των ορυκτών καυσίμων αποτελεί η χρήση τους ως καύσιμο για μετακινήσεις. Το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτικό οικολογικό καύσιμο των μετακινήσεων καθώς μπορεί να παραχθεί μέσω μονάδων ηλεκτρόλυσης που χρησιμοποιούν ηλεκτρική ισχύ και νερό. Τόσο τα συστήματα αφαλάτωσης όσο και οι μονάδες ηλεκτρόλυσης καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια και μπορούν να αποτελέσουν μονάδες ενός μικροδικτύου. Καθώς το μικροδίκτυο γίνεται όλο και πιο περίπλοκο, συστήματα διαχείρισης ενέργειας και ελέγχου είναι απαραίτητα για τη βέλτιστη λειτουργία του. Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη συστημάτων διαχείρισης και ελέγχου υβριδικών συστημάτων ενέργειας και μικροδικτύων με τη χρήση ευφυών πρακτόρων που ενσωματώνουν τεχνικές υπολογιστικής νοημοσύνης, με σκοπό τη βέλτιστη λειτουργία τους. Αρχικά δίδεται μια σύντομη περιγραφή των αποκεντρωμένων συστημάτων διαχείρισης ενέργειας σε ενεργειακά συστήματα, παρουσιάζοντας τα πλεονεκτήματα της χρήσης τους σε σχέση με τα συγκεντρωτικά συστήματα διαχείρισης ενέργειας, και γίνεται αναφορά στη χρήση της τεχνολογίας των συστημάτων πολλαπλών πρακτόρων, δίδοντας παράλληλα κάποια βασικά στοιχεία της αρχιτεκτονικής τους. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι τεχνικές υπολογιστικής νοημοσύνης που μπορούν να ενσωματωθούν σε ένα σύστημα ευφυών πρακτόρων. Κατόπιν παρουσιάζεται ένα αποκεντρωμένο σύστημα διαχείρισης ενέργειας που βασίζεται σε ένα σύστημα πολλαπλών ευφυών πρακτόρων για ένα αυτόνομο μικροδίκτυο. Κάθε μονάδα του μικροδικτύου ελέγχεται από ένα ευφυή πράκτορα. Οι πράκτορες επικοινωνούν και συνεργάζονται μεταξύ τους με σκοπό την ομαλή λειτουργία του μικροδικτύου. Μερικές μονάδες του μικροδικτύου (η μονάδα αφαλάτωσης, η μονάδα ηλεκτρόλυσης και η κυψέλη καυσίμου) μπορούν να λειτουργούν σε μερικό φορτίο. Ο ευφυής πράκτορας που ελέγχει την αντίστοιχη μονάδα επιλέγει το σημείο λειτουργίας της, χρησιμοποιώντας τη θεωρία των Ασαφών Γνωστικών Χαρτών. Έπειτα, χρησιμοποιήθηκε η θεωρία σμηνών για την εύρεση του βέλτιστου οικονομικά μικροδικτύου που καλύπτει πλήρως τις ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια, πόσιμο νερό και υδρογόνο ως καύσιμο, της περιοχής που εξυπηρετεί. Μέσω της βελτιστοποίησης, επιλέχθηκε η διαστασιολόγηση της κάθε μονάδας του μικροδικτύου. Το προτεινόμενο σύστημα διαχείρισης ενέργειας συγκρίθηκε με ένα συγκεντρωτικό σύστημα διαχείρισης ενέργειας και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χρήση ενός αποκεντρωμένου συστήματος διαχείρισης ενέργειας και ελέγχου με τη χρήση ευφυών συνεργατικών πρακτόρων μπορεί να εφαρμοστεί με επιτυχία στο σχεδιασμό και στον έλεγχο ενός μικροδικτύου, παρουσιάζοντας μικρότερο κίνδυνο πλήρους κατάρρευσης του συστήματος, καθώς μια πιθανή αποτυχία ορισμένων πρακτόρων δεν μεταφράζεται σε ολική κατάρρευση του συστήματος διαχείρισης ενέργειας, και παράλληλα κατάφερε να αξιοποιήσει και να ελέγξει καλύτερα τις διαθέσιμες μονάδες του μικροδικτύου, γεγονός που με τη σειρά του οδήγησε σε ένα οικονομικότερο αποτέλεσμα. Ένα άλλο πρόβλημα που εξετάστηκε είναι η εύρεση του βέλτιστου συστήματος που περιλαμβάνει μια μονάδα αφαλάτωσης τροφοδοτούμενη με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο της Γεωργικής Μηχανολογίας του Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών, η πειραματική διερεύνηση μια μονάδας αφαλάτωσης αντίστροφης όσμωσης θαλασσινού νερού. Έπειτα, εξετάστηκαν διάφορα σενάρια ως προς τη βέλτιστη, τεχνικά και οικονομικά, σχεδίαση του συστήματος τροφοδοτούμενο με ενέργεια από φωτοβολταϊκά. Μελετήθηκαν οι περιπτώσεις όπου το σύστημα είτε τροφοδοτείται απευθείας από τη φωτοβολταϊκά συστοιχία, είτε περιλαμβάνει και μονάδες αποθήκευσης ενέργειας με τη στήριξη διαφόρων συστημάτων διαχείρισης ενέργειας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το βέλτιστο σύστημα είναι το σύστημα που περιλαμβάνει μια μικρής χωρητικότητας συστοιχίας συσσωρευτών και ελέγχεται από ένα σύστημα διαχείρισης ενέργειας που ενσωματώνει τεχνικές υπολογιστικής νοημοσύνης. Έπειτα, σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε και εγκαταστάθηκε στο εργαστήριο ένα αυτόνομο μικροδίκτυο για τη τροφοδοσία μια μονάδας αφαλάτωσης. Το μικροδίκτυο περιλαμβάνει δύο μονάδες αποθήκευσης ενέργειας. Η πρώτη αποτελεί μία καινοτόμα μονάδα ηλεκτρικής αποθήκευσης που αποτελείται από μια συστοιχία υβριδικών πυκνωτών, ενώ η δεύτερη αποτελεί μια υδραυλική αποθήκη ενέργειας μέσω της χρήσης πιεστικών δοχείων. Το μικροδίκτυο ελέγχεται από ένα αποκεντρωμένο σύστημα διαχείρισης ενέργειας που βασίζεται σε συνεργατικούς ευφυείς πράκτορες με σκοπό τη μεγιστοποίηση της παραγωγής πόσιμου νερού μέσω της βέλτιστης αξιοποίησης των μονάδων παραγωγής ενέργειας και των μονάδων αποθήκευσης. Τέλος, καθώς εξετάστηκε, τόσο μέσω προσομοίωσης όσο και πειραματικά, η χρήση συνεργατικών ευφυών πρακτόρων για ένα αποκεντρωμένο σύστημα διαχείρισης ενέργειας και ελέγχου ενός μικροδικτύου και παρουσιάστηκαν τα πλεονεκτήματα της εφαρμογής αυτής, στη συνέχεια εξετάστηκε η χρήση ανταγωνιστικών ευφυών πρακτόρων. Σε ένα μικροδίκτυο μπορεί οι πράκτορες να έχουν ως κοινό σκοπό τη πλήρη κάλυψη των αναγκών αλλά μπορεί να έχουν παράλληλα και διαφορετικούς στόχους ή οι στρατηγικές του καθενός να επηρεάζουν τις ενέργειες των άλλων. Στη βάση αυτή, σχεδιάστηκε ένα σύστημα πολλαπλών πρακτόρων για ένα αποκεντρωμένο σύστημα διαχείρισης ενέργειας ενός μικροδικτύου, όπου οι πράκτορες είτε συνεργάζονται είτε ανταγωνίζονται. Δημιουργήθηκαν δύο παίγνια ελέγχου, ένα συνεργατικό και ένα ανταγωνιστικό. Για την επίλυση και την εύρεση του σημείου ισορροπίας των παιγνίων χρησιμοποιήθηκε η ισορροπία Nash. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χρήση του προτεινόμενου συστήματος πολλαπλών πρακτόρων για ένα αποκεντρωμένο σύστημα διαχείρισης ενέργειας ενός αυτόνομου μικροδικτύου, παρουσιάζει λιγότερες απώλειες ενέργειας και δίνει τη δυνατότητα σχεδιασμού ενός οικονομικότερου μικροδικτύου.

The increase of human population, urbanization and modernization have led to one of the most notable issues of the worldwide agenda, which is the outstanding growth of global energy demand. Today, millions of people are still left without basic energy services and most of these people reside in remote areas, which are not interconnected to any major electrical power system network. Taking into consideration that the problem of electrification is mainly addressed by the use of fossil fuel power stations which have a significant environmental impact, renewable energy generation is an alternative, sustainable and environmentally friendly solution. The rapid use of renewable energy has led to a change in the operation of electrical grids and the use of hybrid renewable energy systems, including storage systems and generators form the microgrids. Microgrids are usually small-scale, low-voltage, integrated energy systems, which can call for sufficient load to warrant local generation and distribution and can address the grid congestion problems as far as high introduction of distributed renewable energy generators are concerned. Microgrids can operate at either grid-connected or islanded (autonomous) mode and their primary aim is to cover all the needs present in the area that they serve. Another major issue of the worldwide agenda is the availability of drinking water. There are many areas in the world, such as islands, coastal regions and arid main lands, which although have a significant shortage in potable water supply, their solar and wind potential is very high. With the fact that around 97% of the earth’s water is salty, desalination process emerged as an attractive solution to the water scarcity problem. A prominent challenge associated with desalination is its high energy consumption, which is often covered largely by fossil fuels. Therefore, the combination of desalination plants with renewable energy sources (RES) have been identified as a sustainable and economically viable solution compared to conventional fossil fuel-powered desalination plants. Moreover, the consumption of fossil fuels is increasing due to the use of fuels for transportation. Hydrogen is an energy carrier the use of which has been rising constantly throughout recent years and it can be used as a fuel for transportation, as well as a medium to long-term energy storage. A hydrogen subsystem is usually composed of a water electrolyzer, which produces the hydrogen, a hydrogen storage tank which acts as energy storage, a refuelling system which supports the dispensing hydrogen into fuel cell vehicles and a fuel cell which produces electricity from the stored hydrogen. The desalination and hydrogen systems consume electrical energy and hence can both constitute subsystems of a microgrid. As the microgrids become more complex, advanced energy storage systems and corresponding advanced energy management systems are required for optimal operation. The concept behind this thesis is the design and the development of energy management systems based on distributed intelligence for the design, control and optimum operation of microgrids. A brief description of decentralized energy management systems is presented, including their advantages instead of the use of centralized energy management systems. In addition, the multi agent systems approach in electrical power systems is mentioned. Then, the computational intelligence techniques that can be integrated into a multi agent system are presented. A decentralized energy management system based on multi-agent system for the control and management of an autonomous microgrid is presented. In the proposed system of intelligent agents, each unit of the network is controlled by its own processing unit, which is able to act as an independent agent. Every agent communicates and cooperates with other agents, thus forming an intelligent distributed computing system. The decisions concerning the energy production and storage, the production and storage of potable water and the production and utilization of hydrogen as fuel are made by this multi-agent system. Every agent receives information from sensors or through other agents and determines the operation point of the particular controlled unit, which correspond to full or partial load of the electrolyzer, fuel cell and desalination unit. The intelligent agents make decisions using the Fuzzy Cognitive Maps theory. The proposed decentralized energy management system is afterwards compared techno-economically to a centralized energy management system, based on a combined Petri Nets – Fuzzy Cognitive Maps approach. The results of the comparison revealed that the decentralized energy management system utilize the available devices better, which in turn led to a lower net present cost for a 20 year investment period and the managed microgrid has much higher chances of partial operation in cases when malfunctions occur at different parts of it. Another important issue that has been addressed is the determination of the optimal configuration of a renewable energy desalination system so that the system meets the water load demand at the minimum cost. Initially, a seawater reverse osmosis desalination plant was experimentally investigated at the laboratory of Agriculture University of Athens. Then, five different configurations for a seawater desalination system powered by photovoltaics were effectuated and compared in order to define the optimum technical and economic configuration of system components for autonomous mode operation. The results showed that the optimum system is the system that includes a small capacity conventional energy storage system (lead acid batteries) and an energy management system that incorporates computational intelligence techniques. An experimental investigation of a PV powered small-scale SWRO desalination system which employs hydraulic energy recovery, based on a DC microgrid concept was designed and tested in the laboratory. The DC microgrid incorporates a short term electric energy storage in the form of hybrid capacitors and a short term hydraulic energy storage in the form of pressure vessels. A multi-agent decentralized energy management system which relies on intelligent agents and employs Fuzzy Cognitive Maps for its implementation, allowing for efficient operation of the desalination system under variable conditions (variable feed pressure) was designed and experimentally investigated in order to maximize the fresh water production, optimizing the use of power plants and storage units. Finally, after being tested, both through simulation and experimentation, the beneficial application of multi agent systems in microgrids has been discussed to solve the energy management problem in distributed energy management systems by exploiting a theoretical framework relying on the cooperation among the agents, then the use of competing intelligent agent was examined. In several cases, an interactive operation among multiple agents in an energy system appears very often. In these cases, the goals of each agent are influenced by the actions of the remaining agents, while it is often possible that cooperation of the agents cannot be established, because they have competitive goals or different strategies which influence agents’ actions. On this basis, a multi-agent decentralized energy management system for a microgrid was designed and the energy management problem was formulated through the application of game theory, in order to model the set of strategies between two players/agents, as a non-cooperative power control game or a cooperative one, according to the level of the energy produced by the renewable energy sources and the energy stored in the battery bank, for the purpose of accomplishing optimal energy management and control of the microgrid operation. The Nash equilibrium was used to compromise the possible diverging goals of the agents by maximizing their preferences. The results obtained from the proposed energy management system, demonstrate that the application of game theory based control, in autonomous microgrids, can led to a higher efficiency, fewer power losses and a lower cost system.