HEMS operation data analysis to increase accuracy between simulations and laboratory environment

This work is part of the technical validation of the operation of a Home Energy Management System (HEMS), first in an experimental environment (consisting of a set of appliances, a programmable load, a photovoltaic simulator, a stationary storage system, an electric vehicle and its charging station) and later in real conditions. The first objective of the work is to evaluate the performance differences of the HEMS when operating in a physical environment rather than in a virtual one. For this purpose, 24-hour simulations were conducted in a laboratory involving all the aforementioned devices. These simulations highlighted the inability of the physical system to perfectly implement the commands of the HEMS algorithm, resulting in energy compensations by the grid and thus a reduction in the real economic benefit provided by the HEMS. For these tests, the reduction is between €1.6 and €2 over 24 hours. The second objective is to identify and correct the mechanisms underlying this reduction in economic benefit. The first issue identified lies in a higher frequency variation of the domestic load compared to the update rate of the real-time energy flows adjustments operated by the HEMS. The proposed solution is to increase the HEMS update rate in line with the reactivity of the stationary storage and charging station. It was experimentally found that the update frequency that respects the system constraints is 10 seconds. As a second issue, it was observed that both the stationary storage system, and the charging station did not exactly replicate the setpoints profile indicated by the algorithm. The reason was an insufficiently detailed modeling of the two devices. The solution was an experimental characterization of their real performance.

Questo lavoro fa parte della validazione tecnica del funzionamento di un Sistema di Gestione dell’Energia Domestica (HEMS), prima in un ambiente sperimentale (composto da un insieme di elettrodomestici, un carico programmabile, un simulatore fotovoltaico, un sistema di accumulo stazionario, un veicolo elettrico e la sua stazione di ricarica) e successivamente in condizioni reali. Il primo obiettivo del lavoro è valutare le differenze di prestazione dell’ HEMS quando opera in un ambiente fisico piuttosto che in uno virtuale. A tal fine, sono state condotte simulazioni di 24 ore in un laboratorio coinvolgendo tutti i dispositivi sopra menzionati. Queste simulazioni hanno evidenziato l’incapacità del sistema fisico di implementare perfettamente i comandi dell’algoritmo HEMS, risultando in compensazioni energetiche da parte della rete e quindi in una riduzione del beneficio economico reale fornito dall’ HEMS. Per questi test, la riduzione riduzione è compresa tra €1,6 e €2 in 24 ore. Il secondo obiettivo è identificare e correggere i meccanismi alla base di questa riduzione del beneficio economico. Il primo problema identificato risiede in una maggior frequenza di variazione del carico domestico rispetto alla frequenza di aggiornamento degli aggiustamenti dei flussi energetici in tempo reale operati dall’ HEMS. La soluzione proposta è aumentare la frequenza di aggiornamento del HEMS in linea con la reattività del sistema di accumulo stazionario e della stazione di ricarica. È stato sperimentalmente trovato che la frequenza di aggiornamento che rispetta i vincoli del sistema è di 10 secondi. Come secondo problema, è stato osservato che sia il sistema di accumulo stazionario che la stazione di ricarica non replicavano esattamente il profilo dei setpoint indicato dall’algoritmo. La ragione era una modellazione insufficientemente dettagliata dei due dispositivi. La soluzione è stata una caratterizzazione sperimentale delle loro prestazioni reali.