Energy management system of a zero-emission vehicle charging station based on MPC

Abstract

This work is within the lines of research of the Automática y Robótica Industrial group from the Ingeniería de Sistemas y Automática Department at University of Seville. In particular, it aims at serving as a base for the group contribution to the zero-emission vehicle recharging station future project, which will be held by the Excellent Research Group ENGREEN with the collaboration of researches from the whole Escuela Técnica Superior de Ingeniería. Due to environmental goals of ENGREEN, besides inspiring the use of electric and hydrogen-based vehicles, the charging station will consume renewable energy coming from solar power. The use and management of energy storage system such as hydrogen is crucial because of uncertainty in energy production and consumption. Predictive controllers, well-known as MPC, are used in this work for the resolution of such a complex and multi-objective energy flow problem in that system. Throughout this report, the microgrid is simulated in different generation and consumption scenarios, showing how a scheduler MPC, using both continuous and logic variables, and a reference tracking MPC, using only continuous variables, allow for optimal and efficient solutions. The software Simµgrid, developed by the group itself some years ago, is used over MATLAB/Simulink with Yalmip toolbox and solver CPLEX for the scheduler MPC and the solver quadprog without Yalmip for the reference tracking MPC. The work described above is expected to be used in the future as a starting point for a more complex and detailed management of zero-emission vehicles charging process.

Este trabajo se encuentra dentro de las líneas de investigación del grupo Automática y Robótica Industrial del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad de Sevilla. En concreto, trata de sentar las bases de la aportación de dicho grupo al futuro proyecto de estación de recarga de vehículos cero emisiones que llevará a cabo la Unidad de Excelencia ENGREEN, con componentes de toda la Escuela Técnica Superior de Ingeniería. Debido a los fines medioambientales de dicha unidad de excelencia, además de impulsar el uso del vehículo eléctrico y del basado en hidrógeno, la estación de recarga hará uso de fuentes de energía renovable como la solar. La incertidumbre en la producción y consumo de energía hace necesario el empleo de sistemas de almacenamiento de energía como el hidrógeno y su consiguiente gestión. El flujo de potencia en estos sistemas es un problema de control complejo y multiobjetivo para cuya resolución se emplean en este trabajo técnicas de control predictivo, o más conocido como MPC. A lo largo de esta memoria se describen las simulaciones de la microrred con diferentes escenarios de generación y consumo, mostrando cómo un MPC planificador, usando tanto variables continuas como lógicas, y otro de seguimiento, usando sólo variables continuas, permiten obtener una solución óptima y eficiente. Para ello se usa MATLAB/Simulink sobre el software Simµgrid, desarrollado en años anteriores por el propio grupo de investigación, con el toolbox Yalmip y el solver CPLEX para el MPC planificador y el solver quadprog sin Yalmip para el MPC de seguimiento. Lo anterior pretende emplearse en un futuro como punto de partida para una gestión más compleja y detallada del proceso de recarga de vehículos cero emisiones.