Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/20.500.13087/2915
Title: Energy management strategies for residential buildings under demand response
Other Titles: Talep katılımı altındaki mesken binaları için enerji yönetim stratejileri
Authors: Filik, Ümmühan Başaran
Alıç, Oğuzkağan
Keywords: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği
Electrical and Electronics Engineering
Issue Date: 2021
Publisher: Eskişehir Teknik Üniversitesi
Abstract: Mevcut elektrik şebekesinin konvansiyonel ve tek yönlü bir yapıdan akıllı şebeke (SG) olarak tanımlanan otomasyon ve optimizasyon tabanlı ve çift yönlü bir yapıya evrimi, kullanıcı tarafında enerjinin tasarrufu, verimli kullanımı ve optimum yönetimi amaçlarına hizmet edebilir. SG, basitçe, mevcut elektrik şebekesinin daha akıllı, daha verimli ve artırılmış iletişim tesisi tabanlı çalışmasını ifade eder. SG, amaçlarına ulaşmak için bazı araçlardan yararlanır. SG'nin en önemli araçlarından biri ise talep katılım (DR) programlarıdır. DR programları, nihai tüketicilerin güç sistemi işletimine entegrasyonunu sağlamayı amaçlar ve mesken tüketicileri diğer tüketiciler arasında DR perspektifinden elektrik enerjisi tüketimleri otomasyon ve optimizasyon tabanlı mesken enerji yönetim sistemleri (REMs) ile esnek bir şekilde yönetilebildiğinden en büyük potansiyele sahiptir. Dolayısıyla bu tez, DR programları kapsamında mesken tüketicileri için enerji yönetim stratejilerini ele almaktadır. Bu amaçla, mesken binalarındaki çeşitli elektrikli cihazlar için maliyet ve konfor açısından verimli çözümler geliştirilmiştir. Bu tez kapsamında yürütülen ilk çalışma olarak, bir mesken binasının toplam enerji talebinde önemli bir paya sahip olan ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme (HVAC) yükleri için bir enerji yönetimi stratejisi geliştirilmiştir. Bu strateji, nihai tüketicilerin ısıl esneklik seviyeleri, zamanla değişen enerji fiyatları ve dış hava koşulları kullanılarak bir mesken binası topluluğunda klimaların (ACs) termostat ayarının ayarlanmasına dayanmaktadır. Bu çalışmanın sonuçları, önerilen strateji ile nihai tüketicilerin maliyet ve enerji tasarrufu elde edebileceğini ve elektrik şebekesinin tepe yükünün azaltılabileceğini ortaya koymaktadır. Öte yandan, nihai tüketicilerin, daha ısıl esnek olmayı kabul etmeleri halinde maliyet tasarruflarını adil bir maliyet tasarrufu dağıtım stratejisi ile artırabilecekleri gösterilmiştir. Bu tezdeki ikinci çalışma olarak, bir mesken mikro şebeke şemasıyla entegre edilmiş HVAC yüklerinin maliyet ve konfor açısından verimli kullanımı, önceki çalışmada önerilen termostat ayar stratejisine dayalı olarak çok amaçlı bir optimizasyon çerçevesinden tartışılmıştır. Bu amaçla, optimizasyon problemi bir ayrıştırma işlemi ile ayrıştırılmıştır ve mevcut güç kaynaklarını (yani güneş, rüzgâr ve batarya depolama) uygun maliyetli bir şekilde yönetmek için bir algoritma önerilmiştir. Bu çalışmanın sonuçları, HVAC yüklerinin ve bir mesken mikro şebekesinin, uzun vadeli günlük enerji fiyatlarının tahminine gerek kalmayacak şekilde yönetilebileceğini göstermiştir. Öte yandan, önerilen metot, çift yönlü bir DR programının uygulanmasının şebekenin tepe-ortalama oranının iyileştirebileceğini göstermiştir. Bu tezdeki üçüncü çalışma, HVAC yükler için önerilen çok amaçlı optimizasyon modelini bir mesken binasında bulunan diğer cihazlara genişletmek için yapılmıştır. Bu bağlamda, bir REMS, çeşitli ev aletlerinin DR ve ilgili konfor kayıp modellerini kapsamlı bir şekilde elde etmek için tasarlanmıştır. Tasarlanan REMS'teki amaç, konut nihai tüketicilerinin, maliyet tasarrufu karşılığında ne kadar konfor kaybı olduğunu gözlemleyerek REMS'lerin açık bir maliyet-konfor analizini yapmalarını sağlamaktır. Sonuçlar, nihai mesken tüketicilerinin farklı DR programları altında maliyet ve konfor dengesi hakkında doğru bilgi edinebileceğini göstermektedir. Bu çalışmanın sonuçları ayrıca, daha kısa aralıklarla değişen elektrik enerjisi fiyatlarının nihai tüketicilerin maliyetini düşürmede belirgin sonuçlar verdiğini, daha uzun zaman aralıklarında değişen elektrik enerjisi fiyatlarının ise nihai tüketicilerin konfor kayıplarını gidermede daha iyi sonuçlar verdiğini ortaya koymaktadır. Bu tezde kapsamında önerilen tüm enerji yönetimi stratejileri, çeşitli fiyatlandırma tarifeleri ve çalışma koşulları altında elektrikli ev aletlerine, dolayısıyla meksen yük talebine, maliyet ve konfor etkili çözümler geliştirmeye odaklanmıştır. Sonuçlar aracılığıyla, mesken binalarında elektrik enerjisinin verimli kullanımının hem nihai tüketici hem de şebeke perspektifinden önemli faydalar sağladığı gösterilmiştir.
The evolution of the existing power grid from a conventional and unidirectional structure into an automation\&optimization-based and bi-directional structure, defined as the smart grid (SG), may serve to the goals of conservation, efficient utilization, optimal management of energy at the end-user side. SG simply refers to the smarter, more efficient, and augmented communication facility-based operation of the existing power grid. SG exploits some means to attain its goals. One of the major means of SG is demand response (DR) programs. DR programs aim to incorporate the integration of end-users into power system operation, and residential end-users have the greatest potential among other end-user types from DR perspective since their electrical energy consumption can be flexibly managed by automation\&optimization-based residential energy management systems (REMs). This thesis, therefore, investigates the energy management strategies for residential end-users under DR programs. To this end, cost and comfort-efficient solutions are developed for the various kinds of appliances in residential buildings. As the first study in this thesis, an energy management strategy for heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) loads which have a substantial portion in the energy demand of a residential building is developed. This strategy is based on the adjustment of the thermostat setting of air conditioners (ACs) in a residential building community using end-user thermal flexibility levels, time-varying energy prices, and outdoor weather conditions. The results of this study reveal that end-users can acquire cost and energy savings, while the peak load of the power grid can be mitigated through the proposed strategy. On the other hand, it is shown that end-users can improve their cost savings if they agree to be more thermal flexible, through a fair cost-saving allocation strategy. As the second study in this thesis, a cost and comfort-efficient utilization of HVAC loads from a multi-objective optimization framework integrated with a residential microgrid scheme are discussed based on the proposed thermostat setting strategy in the previous study. To this end, the optimization problem is decomposed through a decoupling process, and an algorithm to cost-efficiently allocate the available power sources (i.e., solar, wind, and battery storage) is proposed. The results of this study show that HVAC loads and a residential microgrid can be managed in such a way that there remains no requirement for the prediction of daylong energy prices. On the other hand, the proposed methodology indicates that the peak-to-average ratio of the grid can be improved through the implementation of a bi-directional DR program. The third study in this thesis is conducted to extend the multi-objective optimization proposed for HVAC loads to other appliances in a residential building. In this regard, a REMS is designed to comprehensively obtain DR and relevant discomfort models of various types of household appliances. The motivation of the designed REMS is to enable residential end-users to make an explicit cost-comfort analysis of REMSs by observing how much a comfort loss occurs in return for cost-saving. The results demonstrate that end-users can get accurate knowledge of their cost and comfort balance under different DR programs. The results of this study also reveal that electrical energy prices that change at shorter regular intervals produce prominent results in reducing the cost of end-users, while the electrical energy prices that change at longer time intervals yield better results in relieving the discomfort of end-users. All the energy management strategies proposed in this thesis focus on developing cost and comfort-effective solutions to household appliances, thus to the household load demand, under various pricing tariffs and operating conditions. Through the results, it is shown that efficient usage of electrical energy inside residential buildings produces considerable benefits from both end-user and grid perspectives.
URI: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/TezGoster?key=RjZwH00oMG4iNa5Sgvlgg6ew_UJtsZoTaQ-WmoUK8vPtpAEuuZeJq_rP6y7WVr_7
https://hdl.handle.net/20.500.13087/2915
Appears in Collections:Tez Koleksiyonu

Show full item record

CORE Recommender

Page view(s)

34
checked on Oct 3, 2022

Google ScholarTM

Check


Items in GCRIS Repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.