Energy homeostasis management strategy for building rooftop nanogrids, considering the thermal model and a HVAC unit installed

This paper presents a case study on power control and energy management for a 60 apartments’ residential building with solar generation and energy storage tied to the grid in Santiago, Chile. A new energy management algorithm based on energy homeostasis is designed for a small electro thermal generation system (nanogrid), with smart metering. The test bed employs supervisory control with energy management that regulates the temperature inside a large room by the action of an HVAC (Heating/Ventilating/Air Conditioning) unit. The main objective of supervisory control is to allow temperature comfort for residents while evaluating the decrease in energy cost. The study considers a room with rooftop grid-tie nanogrid with a photovoltaic and wind turbine generation plant, working in parallel. It also has an external weather station that allows predictive analysis and control of the temperature inside the abode. The electrical system can be disconnected from the local network, working independently (islanding) and with voltage regulation executed by the photovoltaic generation system. Additionally, the system has a battery bank that allows the energy management by means of the supervisory control system. Under this scenario, a set of coordination and supervisory control strategies, adapted for the needs defined in the energy management program and considering the infrastructure conditions of the network and the abode, are applied with the aim of efficiently managing the supply and consumption of energy, considering Electricity Distribution Net Billing Laws 20.571 and 21.118 in Chile (https://www.bcn.cl/historiadelaley/historia-de-la-ley/vista-expandida/7596/), the electricity tariffs established by the distribution company and the option of incorporating an energy storage system and temperature control inside the room. The results show the advantage of the proposed tariffs and the overall energy homeostasis management strategy for the integration of distributed power generation and distribution within the smart grid transformation agenda in Chile.

Description

Este artículo presenta un caso de estudio sobre control de potencia y gestión de energía para un edificio residencial de 60 departamentos con generación solar y almacenamiento de energía conectado a la red en Santiago, Chile. Se diseña un nuevo algoritmo de gestión energética basado en la homeostasis energética para un pequeño sistema de generación electrotérmica (nanogrid), con medición inteligente. El banco de pruebas emplea un control de supervisión con administración de energía que regula la temperatura dentro de una habitación grande mediante la acción de una unidad HVAC (Calefacción/Ventilación/Aire acondicionado). El objetivo principal del control de supervisión es permitir el confort de la temperatura para los residentes mientras se evalúa la disminución del costo de la energía. El estudio considera una habitación con nanorredes conectadas a la red en la azotea con una planta de generación fotovoltaica y eólica, trabajando en paralelo. También cuenta con una estación meteorológica externa que permite el análisis predictivo y control de la temperatura al interior de la morada. El sistema eléctrico se puede desconectar de la red local, trabajando de forma independiente (islanding) y con regulación de tensión ejecutada por el sistema de generación fotovoltaica. Adicionalmente, el sistema cuenta con un banco de baterías que permite la gestión de la energía a través del sistema de control de supervisión. Bajo este escenario, se aplican un conjunto de estrategias de coordinación y control supervisor, adaptadas a las necesidades definidas en el programa de gestión energética y considerando las condiciones de infraestructura de la red y del domicilio, con el objetivo de gestionar eficientemente el suministro y consumo de energía, considerando las Leyes de Facturación Neta de Distribución Eléctrica 20.571 y 21.118 de Chile (https://www.bcn.cl/historiadelaley/historia-de-la-ley/vista-expandida/7596/), las tarifas eléctricas establecidas por la empresa distribuidora y la posibilidad de incorporar un sistema de almacenamiento de energía y control de temperatura en el interior de la estancia. Los resultados muestran la ventaja de las tarifas propuestas y la estrategia general de gestión de la homeostasis energética para la integración de la generación y distribución de energía distribuida dentro de la agenda de transformación de redes inteligentes en Chile.

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Authors wish to thank ANID for FONDECYT Project 3170399, Universidad Finis Terrae, Universidad Tecnica Federico Santa Maria and ENEL Distribucion for their ongoing support and commitment to our research.

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