Ontwerp van een robuuste, meerlaagse, actieve vraagsturingsarchitectuur onderworpen aan communicatiebeperkingen.

Een sterke toename van het aantal hernieuwbare energiebronnen wordt beschouwd als een belangrijke bijdrage in de transitie naar een veilige, betaalbare en koolstofarme elektriciteitsvoorziening. Hun intermittente en onvoorspelbare wijze van energieopwekking leidt echter tot variabele en moeilijk te voorspellen bidirectionele energiestromen in distributie- en transmissienetwerken. Tegelijkertijd stijgt de totale elektriciteitsvraag ten gevolge van de opkomende elektrificatie van transport en verwarming. Deze trends leiden tot complexe energiestromen aan vraag- en aanbodzijde die een uitdaging vormen voor onze elektriciteitsnetwerken, markten en actoren.

De voorbije jaren is het gebruik van actieve vraagsturing onder hernieuwde onderzoeksaandacht gekomen omwille van vooruitgang in de systeem- en regeltechniek en de beschikbaarheid van snelle en betaalbare rekenkracht en communicatienetwerken. Het gebruik van de flexibiliteit aan de vraagzijde om de balans tussen consumptie en productie in evenwicht te houden stelt echter meerdere uitdagingen. In eerste instantie vereist het grote aantal communicerende toestellen een betaalbare oplossing. Vervolgens stelt de ontwikkeling van een efficiënte, praktische en betrouwbare regelstrategie een aanzienlijke opgave door de grote omvang van het probleem. Hiernaast vormt het vooropstellen van het comfort van de eindgebruiker een prioriteit. Het toekomstige slimme elektriciteitsnetwerk omsluit ook veel belanghebbenden, met elk hun specifieke en tegengestelde doelstellingen. Een laatste opgave bestaat uit de studie van de meest geschike controle strategieën, waarbij hun toepasbaarheid word gevalideerd in gesimuleerde en fysieke omgevingen.

Dit werk focust zich op de ontwikkeling van efficiënte, praktische en betrouwbare strategieën voor de grootschalige sturing en regeling van residentiële toestellen. De resulterende virtuele energiecentrale kan aangewend worden om waardevolle diensten te leveren aan leveranciers en netwerkoperatoren. Dit transformeert eindverbruikers in actieve en ondersteunende aandeelhouders in de transitie naar een duurzame, groene energievoorziening. Hierbij werd een bestaand markt-gebaseerd regelsysteem toegepast, uitgebreid en aangepast. De inherente tekortkomingen van onvolmaakte toestandsinformatie ten gevolge van aggregatie, afwijkingen ten gevolge van het gebruik van micro-economische biedingsfuncties en toepasbaarheid voor elektrische thermische toestellen werden beperkt of aangepakt. Doorheen dit werk werd de technische en economische haalbaarheid van de oplossing steeds sterk in het achterhoofd gehouden, en ondersteund met uitvoeringen in de praktijk.

Het eerste deel van dit werk is toegespitst op regel- en stuursystemen voor clusters van gemengde toestelklassen zoals gebruikt in het onderzoeksproject LINEAR, waarbij flexibele toestellen van 240 Belgische gezinnen werden aangestuurd. Om de effectiviteit van de oplossing te bestuderen werd een portfolio van algoritmes geïmplementeerd in een simulatie-omgeving. De geïntegreerde load-flow implementatie laat toe om naast de economische impact ook de invloed op het distributienet in rekening te brengen onder realistische scenario's. Ten eerste wordt een nieuw gedistribueerd spanningscontrolemechanisme gepresenteerd dat ook in de veldtest uitgerold werd. Vervolgens werd dit mechanisme gecombineerd met een aanpassing van de markt-gebaseerde aanpak naar de toestellen van de veldtest. Simulatieresultaten tonen aan dat vanuit een economisch welvaartsperspectief de objectieven van zowel de eindverbruiker als de netwerkoperator gelijktijdig in rekening gebracht moeten worden. Vervolgens werd de meerlaagse aanpak uitgebreid met een adaptieve data-gedreven techniek. Door de niet-lineaire dynamica van de cluster en lokale netwerkbeperkingen mee in rekening te nemen kan de performantie verder verhoogd worden. Tot slot werd een transparante uitrol-architectuur ontwikkeld, teneinde de brug tussen meer geavanceerde simulaties en een tijdrovende veldtest te slaan. Dit platform laat toe om snel algoritmes uit te rollen in een fysieke labo-omgeving en mogelijk ook nieuwe veldtesten.

Het tweede deel is gewijd aan elektrische thermische toestellen, dewelke de grootste gecombineerde residentiële vermogens- en energie-opslagcapaciteit bieden. Eerst werd de markt-gebaseerde aanpak aangepast ter controle van heterogene clusters van deze toestellen. Het nieuwe geaggregeerde model is gebaseerd op virtuele traceertoestellen die op geaggregeerd niveau geïdentificeerd worden. Deze zijn in staat om zowel het statisch als dynamisch temperatuursverloop van de populatie te vatten, alsook de heterogeniteit van de toestellen. Bijkomend werd het verdelingsmechanisme geïntegreerd in de optimalisatie. Tot slot werd een veldtest uitgevoerd met 25 koelkasten in studentenkamers op de campus van UC Berkeley. De ontwikkelde lokale controle modules, het communicatieplatform en de ontwikkelde controlestrategie heffen de eerder genoemde resterende barrières op.