Alferink, Marco

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2023 - 20253

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    Item-typ:Veröffentlichung,
    Modellprädiktive Regelung für den optimalen Betrieb von hybriden elektrischen Inselnetzen
    (2025-09-19)
    Alferink, Marco
    ;
    Michels, Kai
    ;
    Hofmann, Lutz
    Abgelegene Inseln weltweit werden zunehmend zu hybriden Elektroenergiesystemen. Aus ökologischen und wirtschaftlichen Gründen werden erneuerbare Energiequellen und Speicher in elektrische Inselnetze integriert, die sich oft noch auf mit fossilen Brennstoffen betriebene Synchrongeneratoren stützen. Die schwankende und schwer vorhersagbare Verfügbarkeit der erneuerbaren Energien sowie die fehlende Anbindung an ein großes Verbundnetz stellen eine Herausforderung für den unterbrechungsfreien und wirtschaftlichen Betrieb elektrischer Inselnetze dar. In dieser Arbeit wird hierzu ein Energiemanagementsystem (EMS) basierend auf einer modellprädiktiven Regelung (MPC) entwickelt. Ziel ist die Reduktion der Betriebskosten des Inselnetzes unter Einhaltung betriebsbedingter und sicherheitsrelevanter Nebenbedingungen. Das MPC-basierte EMS besteht aus einem Unit Commitment für die Optimierung des Langzeitfahrplans und einem Economic Dispatch, das auf einem detaillierten optimalen Lastflussproblem basiert, für die kurzfristigen Sollwerte der dezentralen Erzeugungseinheiten und Speicher. Für den zweistufigen MPC-Ansatz werden Vorhersagemethoden für den elektrischen Lastbedarf sowie die erneuerbare Energieerzeugung eingesetzt. Dadurch, dass Vorhersagesysteme Abweichungen zu den tatsächlich eintretenden Werten enthalten, stellen sie eine Unsicherheitsquelle in dem Betrieb elektrischer Inselnetze dar. Ein robuster MPC-Ansatz in dem EMS soll diese Unsicherheit berücksichtigen und damit die Robustheit gegenüber Vorhersagefehlern sowie unerwarteten Störungen erhöhen. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden anhand des realen Inselnetzes auf Suðuroy, Färöer-Inseln, dargestellt. Das elektrische Inselnetz auf Suðuroy setzt sich aus volatilen erneuerbaren Energiequellen, Synchronmaschinen sowie einem Batteriespeicher zusammen. Simulationsstudien mit historischen Messdaten und unter Berücksichtigung von Unsicherheiten in den Vorhersagemethoden zeigen signifikante wirtschaftliche Vorteile für die modellprädiktiven Regelungen gegenüber dem aktuellen manuellen Netzbetrieb auf der Insel Suðuroy. Mithilfe quasistationärer Modelle wird weiterhin gezeigt, dass der stabile Systembetrieb sowohl im Normalbetrieb als auch beim Auftreten größerer Störungen nicht gefährdet ist. Abschließend werden die in dieser Arbeit vorgeschlagene MPC auf Suðuroy implementiert und qualitative Ergebnisse aus Feldtests abgeleitet.
    Dissertation
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    Item-typ:Veröffentlichung,
    Optimization-based operation of island hybrid power systems: a case study in SuĂ°uroy, Faroe Islands
    (IET, 2023)
    Alferink, Marco
    ;
    Reus, Lucas
    ;
    Goudarzi, Farshid
    ;
    Hofmann, Lutz
    ;
    Michels, Kai
    An optimization-based energy management system (EMS) for the island hybrid power system of SuĂ°uroy on the Faroe Islands is proposed in this paper. Next to balancing generation and load, the aim lies in reducing the operational costs while dealing with uncertainties from the intermittent nature of renewables. This is achieved by a two-layer model predictive control (MPC) approach solving a mixed-integer linear programming problem for unit commitment, as well as a non-linear programming optimal power flow problem for economic dispatch. The setpoints are transferred to the local controllers of the distributed energy resources. Simulations of the MPC strategy show that the utilization of renewables is preferred and, thus, decreasing operational costs are obtained while satisfying operational and security requirements. The proposed EMS is further investigated in quasi-stationary simulations using a simplified model of the SuĂ°uroy power system. It can be observed that after changes of power setpoints and besides small deviations from the predicted values, no stability boundaries are violated.
    Konferenzbeitrag
      42  50
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    Item-typ:Veröffentlichung,
    Robust Model Predictive Control-Based Energy Management System for the Island Power System of SuĂ°uroy, Faroe Islands
    (2024)
    Alferink, Marco
    ;
    Reus, Lucas
    ;
    Hofmann, Lutz
    ;
    Michels, Kai
    In this paper a robust Model Predictive Control (MPC)-based Energy Management System (EMS) is developed and investigated for the case study of Suðuroy, Faroe Islands, under uncertainties resulting from real data. This island power system comprises volatile renewable energy sources, synchronous machines and a Battery Energy Storage System (BESS). In the presented robust MPC both uncertainties from the wind farm power and load demand forecasts are considered. Simulation results are derived from data of one week focusing on the diesel generators’ operational costs and the BESS usage. A comparison against a deterministic MPC-based EMS as well as historical grid operation data is performed. In the presented case study it is shown that both the deterministic MPC and the robust MPC provide significant economic benefits compared to the current grid operation. It is also found that the robust MPC achieves similar performance to the deterministic MPC regarding operational costs. Increased robustness gained through higher state of charge of the BESS is not traded for higher operational costs, highlighting the advantages of the robust MPC-based EMS.
    Konferenzbeitrag
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