Model predictive control of a bidirectional, solar and biomass-based district heating grid

Research output: ThesisMaster's ThesisResearch

Abstract

Die Einbindung von erneuerbaren Energien in Fernwärmenetze ist von zunehmender Bedeutung. Ein gleichzeitiger Einsatz von unterschiedlichen erneuerbaren Energiequellen - wie zum Beispiel Biomasse, Solarenergie oder Abwärme - ermöglicht sowohl die Ausnützung derer Vorteile sowie die Kompensation derer Schwachpunkte. Die Problematik bei Fernwärmenetzen mit mehreren Einspeisern liegt in der kostenoptimalen Nutzung aller Energiequellen. Abhilfe kann eine übergeordnete Regelung schaffen, welche langsam agierende und/oder von äußerlichen Wettereinflüssen betroffene Energiequellen vorausschauend miteinbeziehen kann. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Modellprädiktiven Regelung (Model Predictive Control, MPC) für Fernwärmenetze mit mehreren (erneuerbaren) Einspeisern. Die benötigen (Prädiktions-)Modelle für die MPC-Regelung wurden mithilfe sogenannter MLD (Mixed Logical Dynamical) Hybrid-Modelle entworfen. MLD Hybrid-Modelle eignen sich besonders für die Darstellung von Systemen, welche über diskrete Zustände (Zustandsmaschine) und über ein zeitdiskretes dynamisches Verhalten verfügen. Basierend auf einem vereinfachten MLD-Modell eines Fernwärmenetzes wurde eine Modellprädiktive Regelung für MLD Hybrid-Systeme entworfen und für die Regelung von Fernwärmenetzen angepasst. Da MLD Hybrid-Systeme neben kontinuierlichen Variablen auch über Binärvariablen verfügen, wurde das resultierende lineare Optimierungsproblem der MPC-Regelung mithilfe von Gemischt-ganzzahliger Linearer Programmierung (Mixed-Integer Linear Programming, MILP) gelöst. Abschließend wurde die entwickelte Modellprädiktive Regelung anhand einer Simulationsstudie untersucht. Dabei wurde das Verhalten der Regelung an einem beispielhaften Fernwärmenetz - bestehend aus einer Biomasse-Feuerung inklusive Pufferspeicher, einer Solaranlage mit nachgeschalteter Wärmepumpe und Pufferspeicher, einem Abwärmeprozess, einer Öl-Feuerung sowie 25 Wärmeabnehmern - simuliert. Die Ergebnisse der Simulationsstudie haben gezeigt, dass der entwickelte MPC-Regler in der Lage ist, ein vereinfachtes Modell des beispielhaften Fernwärmenetzes kostenoptimal zu regeln und eine solide Basis für weitere Forschungen in diesem Fachgebiet darstellt.
LanguageEnglish
QualificationMaster of Science
Awarding Institution
  • Institute of Automation and Control (4430)
Supervisors/Advisors
  • Muschick, Daniel, Supervisor
  • Hofer, Anton, Supervisor
  • Gölles, Markus, Advisor
  • Lichtenegger, Klaus, Advisor
Thesis sponsors
Award date30 Sep 2016
StatusPublished - Sep 2016

Keywords

    Cite this

    Moser, AGC 2016, 'Model predictive control of a bidirectional, solar and biomass-based district heating grid', Master of Science, Institute of Automation and Control (4430).
    @phdthesis{6074a8cb759442fd84e11da20ae3d352,
    title = "Model predictive control of a bidirectional, solar and biomass-based district heating grid",
    abstract = "Die Einbindung von erneuerbaren Energien in Fernw{\"a}rmenetze ist von zunehmender Bedeutung. Ein gleichzeitiger Einsatz von unterschiedlichen erneuerbaren Energiequellen - wie zum Beispiel Biomasse, Solarenergie oder Abw{\"a}rme - erm{\"o}glicht sowohl die Ausn{\"u}tzung derer Vorteile sowie die Kompensation derer Schwachpunkte. Die Problematik bei Fernw{\"a}rmenetzen mit mehreren Einspeisern liegt in der kostenoptimalen Nutzung aller Energiequellen. Abhilfe kann eine {\"u}bergeordnete Regelung schaffen, welche langsam agierende und/oder von {\"a}u{\ss}erlichen Wettereinfl{\"u}ssen betroffene Energiequellen vorausschauend miteinbeziehen kann. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Modellpr{\"a}diktiven Regelung (Model Predictive Control, MPC) f{\"u}r Fernw{\"a}rmenetze mit mehreren (erneuerbaren) Einspeisern. Die ben{\"o}tigen (Pr{\"a}diktions-)Modelle f{\"u}r die MPC-Regelung wurden mithilfe sogenannter MLD (Mixed Logical Dynamical) Hybrid-Modelle entworfen. MLD Hybrid-Modelle eignen sich besonders f{\"u}r die Darstellung von Systemen, welche {\"u}ber diskrete Zust{\"a}nde (Zustandsmaschine) und {\"u}ber ein zeitdiskretes dynamisches Verhalten verf{\"u}gen. Basierend auf einem vereinfachten MLD-Modell eines Fernw{\"a}rmenetzes wurde eine Modellpr{\"a}diktive Regelung f{\"u}r MLD Hybrid-Systeme entworfen und f{\"u}r die Regelung von Fernw{\"a}rmenetzen angepasst. Da MLD Hybrid-Systeme neben kontinuierlichen Variablen auch {\"u}ber Bin{\"a}rvariablen verf{\"u}gen, wurde das resultierende lineare Optimierungsproblem der MPC-Regelung mithilfe von Gemischt-ganzzahliger Linearer Programmierung (Mixed-Integer Linear Programming, MILP) gel{\"o}st. Abschlie{\ss}end wurde die entwickelte Modellpr{\"a}diktive Regelung anhand einer Simulationsstudie untersucht. Dabei wurde das Verhalten der Regelung an einem beispielhaften Fernw{\"a}rmenetz - bestehend aus einer Biomasse-Feuerung inklusive Pufferspeicher, einer Solaranlage mit nachgeschalteter W{\"a}rmepumpe und Pufferspeicher, einem Abw{\"a}rmeprozess, einer {\"O}l-Feuerung sowie 25 W{\"a}rmeabnehmern - simuliert. Die Ergebnisse der Simulationsstudie haben gezeigt, dass der entwickelte MPC-Regler in der Lage ist, ein vereinfachtes Modell des beispielhaften Fernw{\"a}rmenetzes kostenoptimal zu regeln und eine solide Basis f{\"u}r weitere Forschungen in diesem Fachgebiet darstellt.",
    keywords = "Fernw{\"a}rmenetze, Modellpr{\"a}diktive Regelung, MLD Hybrid-Systeme, Gemischtganzzahlige lineare Programmierung",
    author = "Moser, {Andreas Georg Christian}",
    year = "2016",
    month = "9",
    language = "English",
    school = "Institute of Automation and Control (4430)",

    }

    TY - THES

    T1 - Model predictive control of a bidirectional, solar and biomass-based district heating grid

    AU - Moser, Andreas Georg Christian

    PY - 2016/9

    Y1 - 2016/9

    N2 - Die Einbindung von erneuerbaren Energien in Fernwärmenetze ist von zunehmender Bedeutung. Ein gleichzeitiger Einsatz von unterschiedlichen erneuerbaren Energiequellen - wie zum Beispiel Biomasse, Solarenergie oder Abwärme - ermöglicht sowohl die Ausnützung derer Vorteile sowie die Kompensation derer Schwachpunkte. Die Problematik bei Fernwärmenetzen mit mehreren Einspeisern liegt in der kostenoptimalen Nutzung aller Energiequellen. Abhilfe kann eine übergeordnete Regelung schaffen, welche langsam agierende und/oder von äußerlichen Wettereinflüssen betroffene Energiequellen vorausschauend miteinbeziehen kann. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Modellprädiktiven Regelung (Model Predictive Control, MPC) für Fernwärmenetze mit mehreren (erneuerbaren) Einspeisern. Die benötigen (Prädiktions-)Modelle für die MPC-Regelung wurden mithilfe sogenannter MLD (Mixed Logical Dynamical) Hybrid-Modelle entworfen. MLD Hybrid-Modelle eignen sich besonders für die Darstellung von Systemen, welche über diskrete Zustände (Zustandsmaschine) und über ein zeitdiskretes dynamisches Verhalten verfügen. Basierend auf einem vereinfachten MLD-Modell eines Fernwärmenetzes wurde eine Modellprädiktive Regelung für MLD Hybrid-Systeme entworfen und für die Regelung von Fernwärmenetzen angepasst. Da MLD Hybrid-Systeme neben kontinuierlichen Variablen auch über Binärvariablen verfügen, wurde das resultierende lineare Optimierungsproblem der MPC-Regelung mithilfe von Gemischt-ganzzahliger Linearer Programmierung (Mixed-Integer Linear Programming, MILP) gelöst. Abschließend wurde die entwickelte Modellprädiktive Regelung anhand einer Simulationsstudie untersucht. Dabei wurde das Verhalten der Regelung an einem beispielhaften Fernwärmenetz - bestehend aus einer Biomasse-Feuerung inklusive Pufferspeicher, einer Solaranlage mit nachgeschalteter Wärmepumpe und Pufferspeicher, einem Abwärmeprozess, einer Öl-Feuerung sowie 25 Wärmeabnehmern - simuliert. Die Ergebnisse der Simulationsstudie haben gezeigt, dass der entwickelte MPC-Regler in der Lage ist, ein vereinfachtes Modell des beispielhaften Fernwärmenetzes kostenoptimal zu regeln und eine solide Basis für weitere Forschungen in diesem Fachgebiet darstellt.

    AB - Die Einbindung von erneuerbaren Energien in Fernwärmenetze ist von zunehmender Bedeutung. Ein gleichzeitiger Einsatz von unterschiedlichen erneuerbaren Energiequellen - wie zum Beispiel Biomasse, Solarenergie oder Abwärme - ermöglicht sowohl die Ausnützung derer Vorteile sowie die Kompensation derer Schwachpunkte. Die Problematik bei Fernwärmenetzen mit mehreren Einspeisern liegt in der kostenoptimalen Nutzung aller Energiequellen. Abhilfe kann eine übergeordnete Regelung schaffen, welche langsam agierende und/oder von äußerlichen Wettereinflüssen betroffene Energiequellen vorausschauend miteinbeziehen kann. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Modellprädiktiven Regelung (Model Predictive Control, MPC) für Fernwärmenetze mit mehreren (erneuerbaren) Einspeisern. Die benötigen (Prädiktions-)Modelle für die MPC-Regelung wurden mithilfe sogenannter MLD (Mixed Logical Dynamical) Hybrid-Modelle entworfen. MLD Hybrid-Modelle eignen sich besonders für die Darstellung von Systemen, welche über diskrete Zustände (Zustandsmaschine) und über ein zeitdiskretes dynamisches Verhalten verfügen. Basierend auf einem vereinfachten MLD-Modell eines Fernwärmenetzes wurde eine Modellprädiktive Regelung für MLD Hybrid-Systeme entworfen und für die Regelung von Fernwärmenetzen angepasst. Da MLD Hybrid-Systeme neben kontinuierlichen Variablen auch über Binärvariablen verfügen, wurde das resultierende lineare Optimierungsproblem der MPC-Regelung mithilfe von Gemischt-ganzzahliger Linearer Programmierung (Mixed-Integer Linear Programming, MILP) gelöst. Abschließend wurde die entwickelte Modellprädiktive Regelung anhand einer Simulationsstudie untersucht. Dabei wurde das Verhalten der Regelung an einem beispielhaften Fernwärmenetz - bestehend aus einer Biomasse-Feuerung inklusive Pufferspeicher, einer Solaranlage mit nachgeschalteter Wärmepumpe und Pufferspeicher, einem Abwärmeprozess, einer Öl-Feuerung sowie 25 Wärmeabnehmern - simuliert. Die Ergebnisse der Simulationsstudie haben gezeigt, dass der entwickelte MPC-Regler in der Lage ist, ein vereinfachtes Modell des beispielhaften Fernwärmenetzes kostenoptimal zu regeln und eine solide Basis für weitere Forschungen in diesem Fachgebiet darstellt.

    KW - Fernwärmenetze

    KW - Modellprädiktive Regelung

    KW - MLD Hybrid-Systeme

    KW - Gemischtganzzahlige lineare Programmierung

    M3 - Master's Thesis

    ER -