چشم‌انداز مدیریت صنعتی

چشم‌انداز مدیریت صنعتی

بهینه‌سازی چندهدفه سیستم هاب انرژی مبتنی بر کنترل پیش‌بین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، دانشکده مدیریت ، پردیس البرز، دانشگاه تهران، تهران، ایران-شرکت توزیع نیروی برق تهران بزرگ.
2 استاد، دانشکده مدیریت صنعتی، دانشگاه تهران، تهران، ایران.
3 دانشیار، دانشکده کارآفرینی، دانشگاه تهران، تهران، ایران.
4 استاد، دانشکده مهندسی صنایع، دانشگاه شاهد، تهران، ایران.
چکیده
مقدمه و اهداف. 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؛ بااین‌حال، 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. هدف این پژوهش، ارائه یک روش مدیریت انرژی مبتنی بر کنترل پیش‌بین مدل (MPC) برای بهره‌برداری بهینه از یک هاب انرژی چندحامله با درنظرگرفتن هم‌زمان شرایط عدم‌قطعیت، قیود عملیاتی و اهداف اقتصادی و زیست‌محیطی است.
روش‌ها. 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 درنظرگرفتن 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.
یافته‌ها. 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 اضافه‌کردن 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.
نتیجه‌گیری. 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. استفاده هم‌زمان از کنترل پیش‌بین مدل، منابع تجدیدپذیر و قابلیت‌های انعطاف‌پذیری سمت مصرف، امکان درنظرگرفتن عدم‌قطعیت، محدودیت‌های عملیاتی و اهداف اقتصادی و زیست‌محیطی را در فرآیند بهره‌برداری فراهم می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

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

نویسندگان English

,Abdolhamid Hadipourmotlagh 1
Mohammadreza Taghizadeh-Yazdi 2
,Seyed Mojtaba Sajadi 3
,Mahdi Bashiri 4
1 ph.d. student, Department of Industrial Management, Alborz Campus, University of Tehran, tehran, Iran.
2 Professor, Department of Industrial Management, Faculty of Management, University of Tehran, Tehran, Iran.
3 Associat Professor, Faculty of Entrepreneurship, University of Tehran, Tehran, Iran.
4 Professor, Department of Industrial Engineering, Shahed University, Tehran, Iran.
چکیده English

Introduction. Recent developments in the structure of energy systems, driven by the increasing share of renewable energy sources, the development of electric vehicles, and the widespread adoption of equipment with load management capabilities, have made conventional operation methods inadequate for meeting the requirements of complex energy systems. In multi-carrier energy networks, the interconnection among different energy carriers, such as electrical and thermal energy, provides a valuable opportunity to enhance flexibility and improve economic performance. However, the stochastic behavior of renewable energy sources, variations in energy consumption, and the technical constraints of equipment pose significant challenges to the decision-making process. Therefore, the development of intelligent energy management methods capable of simultaneously considering uncertainty, operational constraints, and multiple operational objectives has become increasingly important. The objective of this study is to propose a model predictive control (MPC)-based energy management method for the optimal operation of a multi-carrier energy hub while simultaneously considering uncertainty, operational constraints, and economic and environmental objectives.
Methods. In this study, an energy management method based on model predictive control (MPC) is proposed for the optimal operation of a multi-carrier energy hub. Unlike fixed scheduling methods, which derive operational decisions solely based on predetermined conditions, the proposed framework employs a rolling horizon strategy to evaluate the current state of the system at each time interval and update control decisions based on predicted future information. In the developed model, renewable energy generation sources, including wind and solar energy, are modeled by considering the inherent uncertainty of renewable generation. The Rayleigh probability density function is used to characterize the probabilistic behavior of wind speed, while the beta distribution is employed to represent variations in solar irradiance.
In the proposed framework, in addition to generation sources, demand-side components are considered active elements of the energy system. Electric vehicles with charging and discharging capabilities, as well as responsive loads with the ability to curtail or shift their consumption, are incorporated into the optimization model as sources of flexibility. The energy management problem is formulated as a multi-objective economic-environmental model in which the reduction of operating costs and the limitation of carbon dioxide emissions are simultaneously considered in the decision-making process. The proposed model is implemented in the MATLAB environment, and the optimization problem is solved using the YALMIP environment and the Gurobi solver.
Results and Discussion. To evaluate the effectiveness of the proposed method, three different operating scenarios were investigated. The simulation results under the base scenario showed that, without utilizing flexibility capabilities, the daily operating cost was $28.64 and CO₂ emissions were 215 kg. In the second scenario, by activating the management of electric vehicles and responsive loads, energy consumption could be 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 component into the objective function, the proposed model increased the utilization of clean energy sources and reduced CO₂ emissions to 120 kg per day. This value represents a 44.2% reduction in emissions compared with the base case. Although achieving this level of emission reduction was accompanied by a limited increase in operating cost, this result demonstrates the trade-off between the economic and environmental objectives in system operation.
Furthermore, the performance of the proposed controller was compared with those of the PID and LQR methods. The results showed that, owing to its ability to predict future behavior, directly incorporate technical constraints, and repeatedly solve the optimization problem, MPC provided more suitable performance in the simultaneous management of operating cost, emissions, and operational conditions.
Conclusions. Based on the obtained results, the proposed framework can be employed as an effective approach for managing next-generation energy systems, including multi-carrier energy hubs, microgrids, and intelligent systems equipped with renewable energy sources, electric vehicles, and flexible loads. The simultaneous use of model predictive control, renewable energy sources, and demand-side flexibility capabilities enables uncertainty, operational constraints, and economic and environmental objectives to be incorporated into the operational decision-making process.

کلیدواژه‌ها English

Energy management
Electrical and thermal
Electric vehicles
Responsive loads
Energy hub
Environmental
Uncertainty
1.     Abdulnasser, G., Ali, A., Shaaban, M. F., & Mohamed, E. E. M. (2024). Optimal resource allocation and operation for smart energy hubs considering hydrogen storage systems and electric vehicles. Energy, 295, 130826.
2.     Alghamdi, A. S., Alanazi, A., Alanazi, A., Qasaymeh, Y., Zubair, M., Awan, A. B., & Ashiq, M. G. B. (2023). Energy hub optimal scheduling and management in the day-ahead market considering renewable energy sources, CHP, electric vehicles, and storage systems using improved Fick’s law algorithm. Applied Sciences, 13(6), 3526.
3.     Arasteh, F., & Riahy, G. H. (2019). MPC-based approach for online demand side and storage system management in market based wind integrated power systems. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 106, 124–137.
4.     Batiyah, S., Sharma, R., Abdelwahed, S., & Zohrabi, N. (2020). An MPC-based power management of standalone DC microgrid with energy storage. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 120, 105949.
5.     Bazmohammadi, N., Tahsiri, A., Anvari-Moghaddam, A., & Guerrero, J. M. (2019). A hierarchical energy management strategy for interconnected microgrids considering uncertainty. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 109, 597–608.
6.     Bui, T.-L., Bui, V.-B., Bui, H.-L., & Nguyen, D.-Q. (2025). Performance evaluation of model predictive control for load frequency control in an isolated power system. IEEE Asia Meeting on Environment and Electrical Engineering (EEE-AM).
7.     Bui, V.-H., Hussain, A., & Kim, H.-M. (2018). A multiagent-based hierarchical energy management strategy for multi-microgrids considering adjustable power and demand response. IEEE Transactions on Smart Grid, 9(2), 1323–1333.
8.     Enayati, M., Derakhshan, G., & Hakimi, S. M. (2022). Optimal energy scheduling of storage-based residential energy hub considering smart participation of demand side. Journal of Energy Storage, 49, 104062.
9.     Farhangi, H. (2010). The path of the smart grid. IEEE Power and Energy Magazine, 8(1), 18–28.
10.  Hajiamoosha, P., Rastgou, A., Bahramara, S., & Sadati, S. M. B. (2021). Stochastic energy management in a renewable energy-based microgrid considering demand response program. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 129, 106791.
11.  Harsh, P., & Das, D. (2022). Optimal coordination strategy of demand response and electric vehicle aggregators for the energy management of reconfigured grid-connected microgrid. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 160, 112251.
12.  Hosseinnia, H., & Tousi, B. (2019). Optimal operation of DG-based micro grid (MG) by considering demand response program (DRP). Electric Power Systems Research, 167, 252–260.
13.  Hu, Y., & Jin, Y. (2025). Energy hubs integrating renewable energy sources and demand response programs for cost-effective operations. Energy, 333, 137271.
14.  Joshal, K. S., & Gupta, N. (2023). Microgrids with model predictive control: A critical review. Energies, 16(13), 4851.
15.  Konneh, K. V., Adewuyi, O. B., Lotfy, M. E., Sun, Y., & Senjyu, T. (2022). Application strategies of model predictive control for the design and operations of renewable energy-based microgrid: A survey. Electronics, 11(4), 554.
16.  Lim, S., Lee, J., & Lee, S. (2025). Model predictive control-based energy management system for cooperative optimization of grid-connected microgrids. Energies, 18(7), 1696.
17.  Massaro, F., Di Silvestre, M. L., Ferraro, M., Montana, F., Riva Sanseverino, E., & Ruffino, S. (2024). Energy hub model for the massive adoption of hydrogen in power systems. Energies, 17(17), 4422.
18.  Moghaddam, A. A., Seifi, A., Niknam, T., & Pahlavani, M. R. A. (2011). Multi-objective operation management of a renewable MG (micro-grid) with back-up micro-turbine/fuel cell/battery hybrid power source. Energy, 36(11)*, 6490–6507.
19.  Najafi, A., Tavakoli, A., Pourakbari-Kasmaei, M., & Lehtonen, M. (2021). A risk-based optimal self-scheduling of smart energy hub in the day-ahead and regulation markets. Journal of Cleaner Production, 279, 123631.
20.  Nass ereddine, K., Turzynski, M., Bielokha, H., & Strzelecki, R. (2025). Simulation of energy management system using model predictive control in AC/DC microgrid. Scientific Reports, 15, 5388.
21.  NREL. (2019). NREL.
22.  Nikmehr, N., Najafi-Ravadanegh, S., & Khodaei, A. (2017). Probabilistic optimal scheduling of networked microgrids considering time-based demand response programs under uncertainty. Applied Energy, 198, 267–279.
23.  Nosratabadi, S. M., Hemmati, R., & Anvari-Moghaddam, A. (2020). Stochastic multi-energy management in microgrids integrating electricity, heating, and cooling systems. Energy, 195, 116979.
24.  Sahebi, H. G., Hajihosseini, M., & Gorji, S. A. (2026). Distributed model predictive control of microgrids: A review on recent developments. IET Control Theory & Applications, 20(1), e70120.
25.  Vivas, F. J., Pajares, A., Blasco, X., Herrero, J. M., Segura, F., & Andújar, J. M. (2025). A novel energy management system based on two-level hierarchical economic model predictive control for use in microgrid control. Energy Conversion and Management: X, 26, 101027.
26.  Yadollahi, Z., Gharibi, R., Dashti, R., & Jahromi, A. T. (2024). Optimal energy management of energy hub: A reinforcement learning approach. Sustainable Cities and Society, 102, 105179.
27.  Ye, W., Chang, H.-H., Zhang, P., Quakernack, L., Kelker, M., & Haubrock, J. (2024). Comparison of hierarchical MPC-based energy management strategies for residential microgrids. IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe (ISGT Europe).
28.  Yuan, Z.-P., & Xia, J. (2021). Two-time-scale energy management for microgrids with data-based day-ahead distributionally robust chance-constrained scheduling. IEEE Transactions on Smart Grid, 12(6), 4778–4787.
29.  Zhao, Z., Guo, J., Luo, X., Lai, C. S., Yang, P., Lai, L. L., Li, P., Guerrero, J. M., & Shahidehpour, M. (2022). Distributed robust model predictive control-based energy management strategy for islanded multi-microgrids considering uncertainty. IEEE Transactions on Smart Grid, 13(3), 2107–2120.
30.  Zhong, S., Wang, X., Wu, H., He, Y., Xu, B., & Ding, M. (2024). Energy hub management for integrated energy systems: A multi-objective optimization control strategy based on distributed output and energy conversion characteristics. Energy, 306, 132526.