چشم‌انداز مدیریت صنعتی

چشم‌انداز مدیریت صنعتی

بهینه سازی چند هدفه سیستم هاب انرژی مبتنی بر کنترل پیش بین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشیار، دانشگاه تهران.
2 دانشجو دکتری،دانشکده مدیریت پردیس البرز،دانشگاه تهران،تهران،ایران
3 دانشیار،دانشکده صنایع،دانشگاه تهران،تهران،ایران
4 استاد،دانشکده صنایع،دانشگاه شاهد،تهران،ایران
10.48308/jimp.2026.244644.1724
چکیده
تحولات اخیر در ساختار سیستم‌های انرژی، ناشی از افزایش سهم منابع تجدیدپذیر، توسعه خودروهای الکتریکی و گسترش تجهیزات دارای قابلیت مدیریت بار، موجب شده است که روش‌های متداول بهره‌برداری دیگر پاسخگوی نیازهای سیستم‌های انرژی پیچیده نباشند. در شبکه‌های انرژی چندحامله، ارتباط متقابل میان حامل‌های مختلف مانند انرژی الکتریکی و حرارتی، فرصت مناسبی برای افزایش انعطاف‌پذیری و بهبود عملکرد اقتصادی فراهم می‌کند؛ با این حال، وجود رفتار تصادفی منابع تجدیدپذیر، تغییرات مصرف انرژی و محدودیت‌های فنی تجهیزات، فرآیند تصمیم‌گیری را با چالش‌های قابل‌توجهی مواجه می‌سازد. ازاین‌رو، توسعه روش‌های هوشمند مدیریت انرژی که بتوانند به‌صورت هم‌زمان شرایط عدم‌قطعیت، قیود عملیاتی و اهداف چندگانه بهره‌برداری را در نظر بگیرند، اهمیت ویژه‌ای یافته است.در این مقاله، یک روش مدیریت انرژی مبتنی بر کنترل پیش‌بین مدل (MPC) برای بهره‌برداری بهینه از یک هاب انرژی چندحامله پیشنهاد شده است. برخلاف روش‌های برنامه‌ریزی ثابت که تصمیمات بهره‌برداری را تنها بر اساس شرایط از پیش تعیین‌شده استخراج می‌کنند، ساختار ارائه‌شده با استفاده از راهبرد پنجره غلتان، در هر بازه زمانی وضعیت جاری سیستم را ارزیابی کرده و تصمیمات کنترلی را با توجه به اطلاعات پیش‌بینی‌شده آینده به‌روزرسانی می‌کند. در مدل توسعه‌یافته، منابع تولید تجدیدپذیر شامل انرژی باد و خورشید با در نظر گرفتن ماهیت غیرقطعی تولید مدل‌سازی شده‌اند. برای توصیف رفتار احتمالاتی سرعت باد از تابع چگالی احتمال رایلی و برای بیان تغییرات تابش خورشیدی از توزیع بتا استفاده شده است.در چارچوب پیشنهادی، علاوه بر منابع تولید، عناصر سمت مصرف نیز به‌عنوان بخش فعال سیستم انرژی در نظر گرفته شده‌اند. خودروهای الکتریکی با قابلیت شارژ و دشارژ و همچنین بارهای پاسخگو با امکان قطع یا انتقال زمان مصرف، به‌عنوان منابع انعطاف‌پذیری وارد مدل بهینه‌سازی شده‌اند. مسئله مدیریت انرژی به‌صورت یک مدل چندهدفه اقتصادی-زیست‌محیطی توسعه یافته است؛ به‌گونه‌ای که کاهش هزینه بهره‌برداری و محدودسازی انتشار دی‌اکسیدکربن به‌صورت هم‌زمان در فرآیند تصمیم‌گیری مورد توجه قرار گیرد. مدل پیشنهادی در محیط MATLAB پیاده‌سازی شده و حل مسئله بهینه‌سازی با استفاده از محیط YALMIP و حل‌کننده Gurobi انجام شده است.برای بررسی کارایی روش ارائه‌شده، سه سناریوی بهره‌برداری مختلف مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج شبیه‌سازی در شرایط پایه نشان داد که بدون استفاده از قابلیت‌های انعطاف‌پذیر، هزینه روزانه بهره‌برداری برابر ۲۸.۶۴ دلار و میزان انتشار CO₂ برابر ۲۱۵ کیلوگرم است. در سناریوی دوم، با فعال‌سازی مدیریت خودروهای الکتریکی و بارهای پاسخگو، امکان انتقال مصرف انرژی به شرایط مناسب‌تر فراهم شد که کاهش ۱۰.۴ درصدی هزینه بهره‌برداری و کاهش ۲۴.۷ درصدی انتشار CO₂ را نسبت به حالت پایه به همراه داشت. در سناریوی سوم، با اضافه کردن مؤلفه زیست‌محیطی به تابع هدف، مدل پیشنهادی توانست میزان استفاده از منابع پاک را افزایش داده و انتشار CO₂ را به ۱۲۰ کیلوگرم در روز برساند. این مقدار بیانگر کاهش ۴۴.۲ درصدی آلایندگی نسبت به حالت پایه است. اگرچه دستیابی به این سطح کاهش انتشار با افزایش محدودی در هزینه همراه شد، اما این موضوع نشان‌دهنده ایجاد تعادل میان دو هدف اقتصادی و زیست‌محیطی در بهره‌برداری سیستم است.همچنین، عملکرد کنترل‌کننده پیشنهادی با روش‌های PID و LQR مقایسه شد. نتایج نشان داد که MPC به دلیل برخورداری از قابلیت پیش‌بینی رفتار آینده، امکان اعمال مستقیم محدودیت‌های فنی و توانایی حل مکرر مسئله بهینه‌سازی، در مدیریت هم‌زمان هزینه، آلایندگی و شرایط عملیاتی عملکرد مناسب‌تری ارائه می‌دهد. بر اساس نتایج حاصل، چارچوب پیشنهادی می‌تواند به‌عنوان یک راهکار مؤثر برای مدیریت نسل جدید سیستم‌های انرژی، شامل هاب‌های چندحامله، ریزشبکه‌ها و سامانه‌های هوشمند مجهز به منابع تجدیدپذیر، خودروهای الکتریکی و بارهای انعطاف‌پذیر مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Multi-Objective Optimization of an Energy Hub system using model Predictive Control

نویسندگان English

Mohammadreza Taghizadeh-Yazdi 1
,Abdolhamid Hadipourmotlagh 2
,Seyed Mojtaba Sajadi 3
,Mahdi Bashiri 4
1 Associate Professor, University of Tehran.
2 phd student,Department of Industrial Management Alborz Campus,Faculty of Management,University ofTehran, Tehran,Iran
3 Associat Professor at the new business Department of Faculty of Enterepreneurship,,University ofTehran, Tehran,Iran
4 Professor,Department of Industrial Engineering,shahed university, Tehran,Iran
چکیده English

Recent developments in energy systems, driven by the increasing penetration of renewable energy sources,

the widespread adoption of electric vehicles, and the expansion of controllable demand-side resources, have made conventional operation strategies insufficient for addressing the requirements of complex modern energy systems. In multi-carrier energy networks, the interaction among different energy carriers, such as electrical and thermal energy, provides significant opportunities for enhancing system flexibility and improving economic performance. However, the stochastic nature of renewable generation, variations in energy demand, and operational limitations of energy conversion devices introduce considerable challenges into the decision-making process. Therefore, the development of intelligent energy management approaches capable of simultaneously addressing uncertainties, technical constraints, and multiple operational objectives has become increasingly important .



This paper proposes a model predictive control (MPC)-based energy management strategy for the optimal operation

of a multi-carrier energy hub. Unlike conventional static scheduling approaches, where operational decisions are

obtained based on predetermined conditions, the proposed framework employs a receding horizon strategy to

continuously evaluate the current system state and update control decisions based on future forecasts. In the developed model, renewable energy resources, including wind and photovoltaic generation, are modeled considering their inherent uncertainties. The probabilistic behavior of wind speed is characterized using the Weibull probability distribution, while the variability of solar radiation is represented through the Beta probability distribution .



Within the proposed framework, demand-side components are considered as active elements of the energy system.

Electric vehicles with charging and discharging capabilities, along with responsive loads capable of load shifting and curtailment, are incorporated into the optimization model as sources of operational flexibility. The energy management problem is formulated as a multi-objective economic-environmental optimization framework, in which the minimization of operational costs and the reduction of carbon dioxide (CO₂) emissions are simultaneously considered in the decision-making process. The proposed model is implemented in the MATLAB environment, while the optimization problem is formulated using YALMIP and solved by the Gurobi optimization solver.



To evaluate the effectiveness of the proposed approach, three different operational scenarios are investigated. The

simulation results for the base scenario indicate that, without utilizing flexible energy resources, the daily operating cost and CO₂ emissions are 28.64 USD/day and 215 kg/day, respectively. In the second scenario, by enabling electric vehicle management and demand response programs, energy consumption is shifted toward more favorable operating conditions, resulting in a 10.4% reduction in operating cost and a 24.7% reduction in CO₂ emissions compared with the base case. In the third scenario, by incorporating the environmental objective into the optimization framework, the proposed model increases the utilization of cleaner energy resources and reduces CO₂ emissions to 120 kg/day. This result corresponds to a 44.2% reduction in emissions compared with the base scenario. Although achieving this level of emission reduction leads to a limited increase in operating cost, it demonstrates the capability of the proposed approach to establish an effective trade-off between economic and environmental objectives.



Furthermore, the performance of the proposed controller is compared with conventional PID and LQR control strategies.

The results demonstrate that MPC provides superior performance due to its predictive capability, direct handling of operational constraints, and ability to repeatedly solve the optimization problem under changing sy stem conditions. Based on the obtained results, the proposed framework can serve as an effective solution for managing next-generation energy systems, including multi-carrier energy hubs, microgrids, and intelligent energy infrastructures equipped with renewable energy sources, electric vehicles, and flexible demand resources

کلیدواژه‌ها English

Energy management
Electrical and thermal
Electric vehicles
Responsive loads
Energy hub
Environmental
Uncertainty

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 13 شهریور 1405