https://repositorio.ufba.br/handle/ri/43751| Tipo: | Dissertação |
| Título: | Simple model predictive control strategies coupled to artificial intelligence-based disturbance modeling for microgrid energy management system |
| Autor(es): | Calhau, Fernando Antonio Soares |
| Primeiro Orientador: | Martins, Márcio André Fernandes |
| Segundo Orientador: | Meira, Rodrigo Lima |
| metadata.dc.contributor.referee1: | Fontes, Raony Maia |
| metadata.dc.contributor.referee2: | Morais Júnior, Arioston Araújo de |
| metadata.dc.contributor.referee3: | Silva Junior, Heleno Bispo da |
| Resumo: | A geração de eletricidade ainda depende em grande parte de combustíveis fósseis; no entanto, as crescentes preocupações com as mudanças climáticas, o esgotamento dos recursos e o aumento da demanda de energia aceleraram a transição para alternativas mais limpas. As Fontes de Energia Renovável (FERs) oferecem vantagens como abundância, diversidade e baixas emissões de dióxido de carbono, mas sua intermitência e variabilidade exigem estratégias de integração eficazes. Nesse cenário, as microrredes surgem como uma solução promissora, integrando geração, armazenamento e cargas em sistemas modulares capazes de operar conectados à rede ou em modo isolado. Para garantir um desempenho eficiente e confiável, é essencial adotar estratégias avançadas de controle e otimização, particularmente no gerenciamento da troca de energia com objetivos econômicos – uma camada operacional conhecida como Sistema de Gerenciamento de Energia (SGE). Nesse contexto, este trabalho propõe estratégias de Controle Preditivo por Modelo (CPM) para SGEs focadas na operação econômica, incluindo: (i) o desenvolvimento de um CPM de duas camadas baseado em Programação Quadrática (PQ), cujos resultados demonstraram melhorias na robustez numérica, custos computacionais reduzidos e resolução mais rápida do problema de otimização em comparação com as abordagens tradicionais de CPM baseadas em Programação Não Linear (PNL); (ii) a aplicação da estratégia MPC baseada em QP a uma microrrede de escala industrial, juntamente com a introdução de Redes Neurais Artificiais (RNAs) para modelagem de distúrbios, como geração e demanda renováveis, incorporando essas previsões na estrutura de controle, com resultados mostrando maior robustez na tomada de decisão sob a variabilidade operacional imposta por distúrbios; e (iii) a proposta de uma estratégia MPC de camada única, baseada em zonas, projetada para operar dentro de regiões de controle economicamente viáveis definidas pelo operador da microrrede, com uma prova de estabilidade em malha fechada baseada na teoria de Lyapunov, cuja análise de simulação demonstrou que a função de custo se comporta como uma função de Lyapunov, garantindo escalabilidade do controlador, viabilidade recursiva e convergência nominal. |
| Abstract: | Electricity generation still relies largely on fossil fuels; however, growing concerns about climate change, resource depletion, and increasing energy demand have accelerated the transition to cleaner alternatives. Renewable Energy Resources (RERs) offer advantages such as abundance, diversity, and low carbon dioxide emissions, but their intermittency and variability demand effective integration strategies. In this scenario, microgrids emerge as a promising solution by integrating generation, storage, and loads into modular systems capable of operating either grid-connected or in islanded mode. To ensure efficient and reliable performance, it is essential to adopt advanced control and optimization strategies, particularly in managing power exchange with economic objectives -- an operational layer known as the Energy Management System (EMS). In this context, this work proposes Model Predictive Control (MPC) strategies for EMSs focused on economic operation, including: (i) the development of a two-layer MPC based on Quadratic Programming (QP), whose results demonstrated improvements in numerical robustness, reduced computational costs, and faster optimization problem resolution compared to traditional Nonlinear Programming (NLP)-based MPC approaches; (ii) the application of the QP-based MPC strategy to an industrial-scale microgrid, together with the introduction of Artificial Neural Networks (ANNs) for disturbance modeling, such as renewable generation and demand, incorporating these forecasts into the control framework, with results showing greater robustness in decision-making under the operational variability imposed by disturbances; and (iii) the proposal of a single-layer, zone-based MPC strategy designed to operate within economically viable control regions defined by the microgrid operator, with a closed-loop stability proof based on Lyapunov theory, whose simulation analysis demonstrated that the cost function behaves as a Lyapunov function, ensuring controller scalability, recursive feasibility, and nominal convergence. |
| Palavras-chave: | Microrredes EMS Economic MPC Zone-MPC |
| CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::CONTROLE DE PROCESSOS ELETRONICOS, RETROALIMENTACAO |
| Idioma: | eng |
| País: | Brasil |
| Editora / Evento / Instituição: | Universidade Federal da Bahia |
| Sigla da Instituição: | UFBA |
| metadata.dc.publisher.department: | Escola Politécnica |
| metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Industrial (PEI) |
| Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
| URI: | https://repositorio.ufba.br/handle/ri/43751 |
| Data do documento: | 7-Ago-2025 |
| Aparece nas coleções: | Dissertação (PEI) |
| Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
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| Dissertação_FERNANDO_CALHAU.pdf | 19,65 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |
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