Energy management strategies based on fuzzy logic control for grid tied domestic electro thermal microgrid
The environmental and economic benefits related to the reduction of both carbon dioxide emission and transmission losses have made distributed renewable generation systems became a competitive solution for future power systems. In this context, Microgrids (MG) are considered as the key building blocks of smart grids and have aroused great attention in the last decade for their potential and the impact they may have in the coming future. The MG concept has captured great attention in the last years since it can be considered one of the most suitable alternatives for integration of distributed generation units in the utility grid. However, this integration involves some challenges to deal with especially when penetration of Renewable Energy Sources (RES) into the distribution network is increased. Therefore, an effective Energy Management System (EMS) is required to ensure optimal energy utilization within the MG, consequently, facilitating both the grid integration and operator control. In this regard, the EMS strategy design depends on the application, MG power architecture, and the power management capability of the MG elements. This dissertation research focuses on the design of different EMS strategies based on Fuzzy Logic Control (FLC) for a residential grid connected electro thermal MG including renewable power generation (i.e. photovoltaic and wind turbine generators) and storage capability (i.e. battery bank and water storage tank) The main goal of the FLC based EMS strategies is to minimize the grid power fluctuations while keeping the battery State of Charge (SOC) within secure limits. In order to accomplish this goal, the controller design parameters, such as membership functions and rule base, of the FLC based EMS strategies, are adjusted to optimize a pre defined set of quality criteria of the MG behavior. The analysis and design of the FLC based EMS strategies for electrical and electro thermal MG power architectures are developed considering two different scenarios. A first scenario where the MG power forecasting is not provided and a second scenario where the forecast of generation power and load demand are considered. A comparison with the different EMS strategies is presented in simulation level, whereas the features of the enhanced FLC based EMS strategies are experimentally tested on a real residential microgrid implemented at the Public University of Navarre (UPNa) Este estudio presenta el diseno de diferentes estrategias de gestion energetica basadas en un controlador difuso para una microrred electro termica residencial conectada a la red electrica compuesta por generadores de energia renovable (solar y eolico) y elementos de almacenamiento de energia (banco de baterias y tanque de almacenamiento de agua) El objetivo principal de las estrategias de gestion es reducir los picos y fluctuaciones de potencia en el perfil de potencia intercambiado con la red electrica y preservar la vida util del sistema de almacenamiento. Se presenta una revision del estado del arte de estudios anteriores que buscan este objetivo. Se muestra el analisis de dos arquitecturas de microrred. La primera arquitectura consiste en una microrred electrica compuesta fuentes de energia renovables, sistema de almacenamiento de energia y el consumo electrico de una vivienda. La segunda arquitectura consiste en una microrred electro termica que contiene los elementos de la microrred electrica e incluye adicionalmente generadores termicos y el consumo termico de la vivienda. Con el objetivo de medir la eficiencia de las diferentes estrategias de gestion, se presenta un conjunto de criterios de evaluacion que analizan la calidad del perfil de potencia intercambiado con la red electrica obtenido mediante las diferentes estrategias de gestion energetica. Estos criterios de calidad son utilizados adicionalmente para la optimizacion de parametros de los controladores difusos, lo cual se realiza mediante un proceso de aprendizaje fuera de linea que considera los datos historicos del comportamiento de la microrred. La comparacion entre las diferentes estrategias de gestion energetica se realiza mediante simulacion, utilizando los datos reales de generacion y consumo adquiridos en la Universidad Publica de Navarra durante el periodo comprendido entre Julio 2013 y Julio 2014. El diseno de las estrategias de gestion energetica para la arquitectura de microrred electrica supone dos posibles escenarios, el primer escenario no considera la prevision de consumo y generacion de la microrred, y el segundo escenario si considera esta prevision. Las prestaciones de las estrategias basadas en control difuso para cada uno de estos escenarios son validadas experimentalmente en condiciones reales en la microrred de la Universidad Publica de Navarra. Finalmente, se presenta el analisis de las estrategias de gestion basadas en control difuso empleadas a la arquitectura de microrred electro termica. La comparacion, mediante simulacion, con otras estrategias de gestion aplicadas a la misma arquitectura ha demostrado el correcto desempeno de las estrategias desarrolladas basadas en control difuso.