Hierarchical predictive control of networked multi-energy systems

A Multi-energy system (ac{MES}) is a system in which multiple energy vectors (e.g. district heating, electrical and gas networks) are managed together in an optimal way. The heavy integration of non-deterministic power sources in electrical systems and the decarbonisation happening across all the energy networks, arose the need of flexibility in the production and distribution of power. To solve these issues, the concept of MES was introduced. However, the coordination and control of multiple energy systems brings new challenges to face. Among the many problems involving energy vectors cooperation, the most concerning ones are computational complexity, data privacy and scalability. The main objective of this thesis is to design a predictive structure that is capable of managing a MES, while answering the three problems just described. For this purpose, the proposed solution is an hierarchical coordination and control architecture, which splits the problem of managing a MES into two parts: the coordination of multi systems and the local control of each one of them. To do so, a higher level coordination unit compute an optimization problem to find the optimal power exchanges and energy storage for each energy network using just a linear approximate model. Then, at the lower level multiple local complete and nonlinear controllers handle each system participating in the MES. The proposed hierarchical coordination and control structure is compared with a benchmark architecture, composed of a centralized nonlinear OP showing to be able to compute close-to-optimal solutions, while reducing the overall computational effort. Moreover, to incentivize the cooperation of systems, a game's theory model is applied to share the gained benefit across all the participants.

Un sistema multi energetico (MES) è un sistema in cui più vettori energetici (ad esempio reti di teleriscaldamento, elettriche e gas) sono interconnessi e gestiti in maniera congiunta e ottimale. La sempre più diffusa integrazione di risorse energetiche non deterministiche nei sistemi elettrici e la decarbonizzazione che sta avvenendo in quasi tutti i settori energetici hanno creato un crescente richiesta alla domanda di flessibilità nelle reti di produzione e distribuzione di potenza. Il concetto di MES è nato per rispondere a queste necessità data la loro elevata flessibilità. Tuttavia, la coordinazione e controllo di reti multi energetiche porta con se delle nuove sfide da affrontare. Tra i tanti problemi che nascono nella cooperazione tra più sistemi, i principali sono la complessità computazionale, la privacy dei dati sensibili e la scalabilità dell'approccio di coordinazione. L'obiettivo di questa tesi e quello di creare una struttura predittiva capace di gestire in modo ottimale un MES e allo stesso tempo, rispondere alle tre problematiche principali appena elencate. A questo scopo, la soluzione proposta è una struttura di coordinazione e controllo gerarchica, che divide il problema di gestione dei MES in due parti: la coordinazione dei sistemi e il controllo locale di ognuno di essi. Per fare ciò, un'unità di coordinazione ad alto livello risolve il problema di trovare gli scambi di potenza e i profili di energia ottimali per ciascuna rete energetica considerando una loro modellistica lineare e approssimata. Dopodiché, ad un livello più basso, un controllore locale per ogni rete ottimizza l'utilizzo delle singole risorse considerando modelli completi e non lineari. La struttura di controllo gerarchica proposta è in grado di coordinare e controllare le reti in modo performante, raggiungendo prestazioni vicine ad un controllo totalmente centralizzato. Inoltre, per incentivare le reti a cooperare in un MES, viene applicato un modello di teoria dei giochi cooperativi, al fine di suddividere tra i partecipanti il guadagno ottenuto dalla cooperazione.