Field-ready implementation of linear economic model predictive control for microgrid dispatch in small and medium enterprises

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Kull, Tobias ; Zeilmann, Bernd ; Fischerauer, Gerhard:
Field-ready implementation of linear economic model predictive control for microgrid dispatch in small and medium enterprises.
In: Energies. Bd. 14 (2021) Heft 13 . - 3921.
ISSN 1996-1073
DOI: https://doi.org/10.3390/en14133921

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Abstract

The increasing share of distributed renewable energy resources (DER) in the grid entails a paradigm shift in energy system operation demanding more flexibility on the prosumer side. In this work we show an implementation of linear economic model predictive control (MPC) for flexible microgrid dispatch based on time-variable electricity prices. We focus on small and medium enterprises (SME) where information and communications technology (ICT) is available on industrial level. Our implementation uses field devices and is evaluated in a hardware-in-the-loop (HiL) test bench to achieve high technological maturity. We use available forecasting techniques for power demand and renewable energy generation and evaluate their influence on energy system operation compared to optimal operation under perfect knowledge of the future and compared to a status-quo operation strategy without control. The evaluation scenarios are based on an extensive electricity price analysis to increase representativeness of the simulation results and are based on the use of historic real-world measurements in an existing production facility. Due to the real-world restrictions (imperfect forecast knowledge, implementation on field hardware, power fluctuations), between 72.2 % and 85.5 % of the economic optimum (rather than 100 %) is reached. Together with reduced operation cost, the economic MPC implementation on field-typical industrial ICT leads to an increased share of renewable energy demand.

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Der zunehmende Anteil verteilter erneuerbarer Energiequellen im Netz bringt einen Paradigmenwechsel im Energiesystembetrieb mit sich, der mehr Flexibilität auf der Prosumer-Seite erfordert. In dieser Arbeit demonstrieren wir die Implementierung einer linearen ökonomischen modellprädiktiven Regelung (eMPC) für den flexiblen Energieaustausch in Mikronetzen auf der Basis zeitvariabler Strompreise. Wir konzentrieren uns auf kleine und mittlere Unternehmen (KMU), in denen Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) auf industrieller Ebene verfügbar ist. Unsere Implementierung verwendet Feldgeräte und wird in einem Hardware-in-the-Loop-(HiL-)Teststand evaluiert, um eine hohe technologische Reife zu erreichen. Wir verwenden verfügbare Prognosetechniken für den Strombedarf und die Erzeugung erneuerbarer Energien und bewerten deren Einfluss auf den Energiesystembetrieb im Vergleich zum optimalen Betrieb unter perfekter Kenntnis der Zukunft und im Vergleich zu einer Status-quo-Betriebsstrategie ohne Regelung. Die Bewertungsszenarien basieren auf einer umfangreichen Strompreisanalyse, damit die Simulationsergebnisse repräsentativ werden, sowie auf historischen Messdaten aus einer bestehenden Produktionsanlage. Aufgrund der Einschränkungen im Feld (unvollkommenes Prognosewissen, Umsetzung auf Feldhardware, Leistungsschwankungen) werden zwischen 72,2 % und 85,5 % des wirtschaftlichen Optimums (statt 100 %) erreicht. Zusammen mit reduzierten Betriebskosten bewirkt die eMPC-Implementierung auf feldtypischer industrieller IKT, dass der Anteil erneuerbarer Energien am Strombezug des KMU erhöht wird.