Modelling, simulation and predictive control of the medium temperature solar cooling plant

This thesis focuses on the modelling, simulation and predictive control of the medium temperature solar cooling plant. The economic advantage of the solar cooling plant is mostly influenced due to the electric power consumed by it. The aim is to use the thermal energy from solar radiation for most of the process work while keeping the electric power consumption as low as possible using predictive control. The work was conducted on the plant built by RSE in Milan, Italy. After careful study of the plant's equipment and operating conditions, models for the individual equipment were developed using first principles and model identification techniques and validated with the real data from the plant. The simulator of the plant was designed from these models and further validated. For the predictive control design of the plant, a two layer architecture was proposed both in the fixed and hybrid configuration mode. For the fixed configuration mode, the Real time optimizer (RTO) was designed as a higher level whereas, the fast linear MPC with explicit integral action serves at lower layer. The RTO and MPC were employed to the simulator of the plant to check their operation. For the hybrid configuration, the development of the Mixed logical dynamical model was carried out that serves as a predictive model for the higher level MPC. The higher level MPC was implemented and simulated with the plant simulator. The lower level for this configuration will be a fast linear MPC. The results from the simulator indicate the satisfactory design of the plant model. The RTO and MPC operation on the simulator of the plant shows the successful tracking of the optimal setpoint calculated by RTO with the help of linear MPC with integral action, given the prediction of the disturbances acting on the plant. For hybrid configuration, the higher level MPC simulation results confirm its operation to find the optimal input and define the configuration of the plant. The lower level MPC for this configuration should be implemented and tested on the simulator as a part of the future work.

Questa Tesi riguarda la modellistica, la simulazione e il controllo di un impianto di raffreddamento operante a media temperatura e basato sull’energia solare (solar cooling plant). I vantaggi di tipo economico relativi all’utilizzo di questi impianti sono dovuti al ridotto impiego di energia elettrica, sostituita quando possibile dall’energia radiante del sole. Il lavoro descritto nella Tesi è stato condotto con riferimento all’impianto disponibile presso RSE (Ricerca sul Sistema Energetico) nella sua sede di Milano. Dopo una fase di studio preliminare dell’impianto e delle sue principali condizioni operative, sono stati sviluppati i modelli dinamici dei suoi elementi costitutivi, sia basati su equazioni fisiche di bilancio di massa ed energia, sia sviluppati con tecniche di identificazione a partire da dati sperimentali appositamente raccolti sul sistema. A partire da questi modelli è stato poi realizzato e validato il modello complessivo dell’impianto. Lo schema di controllo del sistema è stato sviluppato secondo una struttura gerarchica a due livelli. Ipotizzando una configurazione specifica dell’impianto, dapprima è stato progettato un sistema di alto livello, basato sulla cosiddetta Real Time Optimization (RTO), in grado di calcolare le migliori condizioni statiche di funzionamento, e conseguentemente i valori di regime delle variabili di processo, minimizzando un opportuno funzionale di costo. Successivamente è stato progettato un regolatore lineare dinamico di tipo MPC, o Model Predictive Control, per il mantenimento di tali condizioni anche a fronte di disturbi o limitate variazioni delle condizioni operative. Lo schema di controllo, implementato nel simulatore, ha dimostrato la sua validità consentendo di mantenere i valori di riferimento calcolati da RTO. Successivamente è stato impostato il problema relativo all’ottimizzazione anche della configurazione dell’impianto a fronte di variazioni significative delle condizioni operative, per esempio a causa di una variata intensità della radiazione solare. Per far ciò, si è dovuto modellizzare l’impianto come un sistema ibrido descritto da un modello MLD, o Mixed Logical Dynamical. Tale modello ha consentito di formulare un problema di ottimizzazione Mixed Integer, relativo al livello più alto della struttura gerarchica del controllo, per la determinazione della configurazione ottima del sistema a fronte di diverse condizioni ambientali. A più basso livello un regolatore MPC lineare può ancora essere utilizzato per il controllo dinamico del sistema. I risultati di simulazione hanno evidenziato l’affidabilità del modello sviluppato dell’impianto e l’efficacia dell’utilizzo della procedura RTO per la determinazione del punto di lavoro ottimo assumendo una configurazione fissa del sistema. A fronte delle diverse condizioni ambientali in cui il sistema può lavorare, l’approccio basato su modelli ibridi e ancora sull’ottimizzazione ha consentito di pervenire a una procedura per la scelta della configurazione ottima dell’impianto. Questo risultato è ritenuto di notevole interesse al fine di minimizzare i consumi del sistema mantenendo alti livelli di efficienza.