Development of an optimal control strategy for temperature regulation and thermal storage operation of a solar power plant

Abstract

Nesta dissertação de mestrado, uma Estratégia de Controle Ótimo para plantas solares térmicas é proposta. Para isso, inicialmente, um modelo matemático fenomenológico do campo de coletores solares e do sistema de armazenamento de energia térmica são estudados e desenvolvidos levando em consideração as principais características da planta. Os tanques têm importância fundamental em plantas solares, pois permitem o desacoplamento entre os sistemas de captação de energia solar e de armazenamento de energia térmica. Graças a esta propriedade, os objetivos de controle podem ser desacoplados e o sistema de controle proposto é projetado de forma descentralizada: um controlador ótimo que visa obter a trajetória ótima dos estados do campo de coletores solares, minimizando uma função de custo associada ao rastreamento de referência da temperatura; e outra para calcular a política de controle ótima para o armazenamento/despacho dos tanques térmicos, de acordo com perfis tarifários de energia variáveis. A metodologia é considerada com uma perspectiva rigorosa para mostrar o que pode ser efetivamente garantido com ela. Além disso, é discutida sua implementação prática por meio de uma abordagem direta, na qual o controlador é transformado em um problema de programação não linear. Vários resultados de simulação com tarifas de energia e dados meteorológicos do Brasil e da Espanha são apresentados para ilustrar o desempenho da metodologia proposta. Por fim, um estudo comparativo com duas estratégias clássicas de controle mostra as melhorias na receita de energia produzida nesses cenários. São estimados ganhos de até 13.6% em termos de receita anual, caso a Estratégia de Controle Ótimo seja adotada.

Abstract: In this master's dissertation, an Optimal Control Strategy for thermal solar power plants is proposed. For this, first, a phenomenological mathematical model of the solar collector field and thermal energy storage systems are studied and developed, taking into account the main characteristics of the plant. The tanks have fundamental importance in solar plants, allowing the decoupling between the solar energy capture and the thermal energy storage systems. Thanks to this property, the control objectives can be decoupled and the proposed control system is designed in a decentralized manner: an optimal controller that aims to obtain the optimal trajectory of the states of the solar collector field, minimizing a cost function associated with the temperature reference tracking; and another to calculate the optimal control policy for the storage/dispatch of the thermal tanks, according to variable energy tariff profiles. The methodology is considered with a rigorous perspective to show what can be effectively guaranteed using it. In addition, its practical implementation through a direct approach, in which the controller is transformed into a non-linear programming problem, is discussed. Several simulation results with energy tariffs and meteorological data from Brazil and Spain are presented to illustrate the performance of the proposed methodology. Finally, a comparative study with two classic control strategies shows the improvements in the energy revenue produced in these scenarios. Gains of up to 13.6% are estimated in terms of annual revenue if the Optimal Control Strategy is adopted.