A hierarchical model predictive control architecture for networked multi-energy hubs

Climate change and the urgency to reduce the CO2 emissions require innovative technologies for power supply, enabling better exploitation of renewable sources. Multi-energy systems, through the integration of different energy vectors, allows for more flexible resources management. However, issues come up when coordinating multiple energy hubs due to the rapidly increasing computational complexity, scalability challenges and privacy concerns. Moreover, the necessity of considering the dynamics of power exchanges among EHs poses additional challenges. The focus of this thesis is the design of a control architecture capable of addressing the problems above mentioned. The proposed solution is a hierarchical control structure consisting of two predictive control layers: the upper layer acts as coordination unit, determining the energy references and the power exchanges among EHs, while the lower layer comprises local decentralized controllers, one for each EH, regulating the internal resources. In this context, the dynamical power exchanges are considered through the integration of a thermal network that connects the different EHs, modelled as a fourth EH. This thermal network is, in turn, controlled by its own local controller, coherently with the proposed architecture definition. The numerical results witness the advantages of the proposed approach and the benefits of a multi-energy interaction among EHs.

Il cambiamento climatico e la necessità di ridurre le emissioni di CO2 richiedono tecnologie innovative per l'approvvigionamento energetico, che consentano un migliore sfruttamento delle risorse rinnovabili. I sistemi multi-energetici (MES), tramite l'integrazione di diversi vettori energetici, permettono maggiore flessibilità nella gestione delle risorse. Tuttavia, alcuni problemi possono sorgere nel coordinamento di vari hub energetici (EH) a causa della crescente complessità computazionale, della difficile scalabilità e dei problemi legati alla privacy. Inoltre, la necessità di considerare la dinamica dei scambi di potenza tra EHs pone ulteriori sfide. Obiettivo primario della tesi è quello di progettare un'architettura di controllo capace di risolvere i problemi sopracitati. La soluzione proposta è una struttura di controllo gerarchico costituita da due livelli di controllo predittivo: il livello superiore funge da unità di coordinamento, la quale determina i riferimenti energetici e di potenza scambiata tra EH; il basso livello è costituito dai controllori locali decentralizzati, uno per ciascun EH, che regolano le risorse interne. In questo contesto, gli scambi dinamici di potenza sono considerati tramie l'integrazione di una rete termica che collega i vari EH, modellata come un quarto EH. Questa rete termica è, a sua volta, regolata dal proprio controllore locale, coerentemente all'architettura proposta. I risultati numerici testimoniano i vantaggi dell'approccio proposto e i benefici di un'inte-razione multi-energetica tra hub energetici.