OptimHome : a model predictive control-based home energy management system for bidirectional smart charging

This study aims to develop an adaptable home energy management system capable to integrate bidirectional smart charging of electric vehicle within an optimization framework, with the goal of achieving user-defined objectives such as cost minimization or maximizing renewable self-consumption. The optimization of both unidirectional and bidirectional charging offers numerous advantages for users and the electric grid, including improved grid utilization and higher integration of renewable energy sources. By effectively controlling the charging and discharging power in presence of a dynamic time of use electricity tariff, the energy management system optimizes energy costs for the user while providing an opportunity to support the grid by reducing energy consumption during peak hours. This capability is particularly valuable given the growing integration of decentralized small-scale non-dispatchable renewable energy sources. The charging and discharging operations of the proposed model also take into account the constraints, in terms of energy levels, imposed by charging protocols. The proposed approach ensures the scheduling of cycles that minimize any detrimental effects on battery health while maximizing overall system effectiveness. In contrast to scheduling-based models, the proposed model possesses the ability to adapt iteratively decision variables in response to system changes, such as updates in forecasted photovoltaic production and modifications in the EV user's preferences. By incorporating these dynamic elements, the designed system can effectively respond to external evolving conditions, resulting in a more robust and responsive energy management framework.

Questo studio si propone di sviluppare un sistema flessibile di gestione domestica dei flussi energetici che integri la ricarica intelligente dei veicoli elettrici in un contesto di ottimizzazione delle operazioni finalizzato ad obiettivi fissati dall’utente quali ad esempio la minimizzazione dei costi o la massimizzazione dell’autoconsumo. L’ottimizzazione della ricarica mono e bidirezionale offre numerosi vantaggi sia per l’utente che per la rete elettrica, migliorando l’utilizzo di quest’ultima e integrando una quota parte maggiore di potenza da rinnovabile. Controllando efficacemente la potenza di carica e scarica in presenza di una tariffa dell’elettricità variabile, il sistema di gestione dell’energia minimizza i costi per l’utente offrendo contemporaneamente la possibilità alla rete di ridurre il carico durante le ore di picco di domanda. Questo è ancor piu rilevante data la crescente integrazione di generatori decentralizzati di piccola taglia di potenza rinnovabile non dispacciabile. Le operazioni di carica e scarica del modello proposto tengono in considerazione anche i vincoli, definiti in termini di livelli di energia, imposti dai protocolli di ricarica. L’approccio sviluppato garantisce la pianificazione di cicli di carica scarica che minimizzino gli effetti dannosi sulla salute della batteria, massimizzando al contempo l’efficacia complessiva del sistema. Rispetto ai modelli unicamente basati sulla pianificazione, quello proposto possiede l’abilità di adattare le proprie decisioni iterativamente in risposta a cambiamenti delle condizioni al contorno, quali ad esempio possibili aggiornamenti della potenza rinnovabile attesa o le preferenze dell’utente. Incorporando questo carattere dinamico, il sistema può reagire attivamente alle mutevoli condizioni esterne, risultando in un contesto di gestione energetica più robusto e reattivo.