Dezentrale Steuerung eines Pools von Wärmepumpen auf Basis spieltheoretischer Methoden

Zusammenfassung

Eine intelligente Kopplung des Strom- und Wärmesektors bietet erhebliche Möglichkeiten zur Integration elektrischer Energie aus fluktuierenden, erneuerbaren Energien. Wärmepumpen stellen hierbei eine äußerst effiziente Art der Strom-Wärme-Kopplung dar. Für einen Pool von Wärmepumpen kann dieses Potenzial allerdings nur durch eine entsprechende Steuerungsmethodik effektiv erschlossen werden. Damit kann – in Abhängigkeit der konkreten Anwendung – ein systemadäquates Verhalten des gesamten Wärmepumpenverbunds erzeugt werden. Hierbei bietet eine dezentrale Steuerung im Vergleich zu einer zentralen Steuerung eine deutlich höhere Skalierbarkeit. Deshalb wird hier ein dezentraler Ansatz auf Basis spieltheoretischer Methoden entwickelt und dargestellt. Hierfür werden insgesamt drei spieltheoretische Optimierungsalgorithmen untersucht. Die Leistungsfähigkeit der Algorithmen wird anhand von zwei Anwendungsfällen (Reduzierung der Netzlast und Einhaltung eines definierten Lastprofils) mittels Simulation analysiert und bewertet. Die Ergebnisse beider Fallstudien verdeutlichen, dass die spieltheoretische Steuerung einfach und effektiv zur Steuerung eines Wärmepumpenverbunds eingesetzt werden kann. Die entwickelte Steuerungsmethodik ist zudem prinzipiell auch auf alle anderen elektrischen Verbraucher mit inhärenter Speicherfunktion übertragbar.

Abstract

An intelligent coupling of the power and the heat sector offers huge possibilities for the integration of electric energy from fluctuating, renewable energies. In this regard heat pumps depict a highly efficient way of power-heat-coupling. However, for a pool of heat pumps this potential can only be exploited effectively with a suitable control methodology. Such a control methodology makes it possible to enforce – depending on the specific case of application – a system-compatible behavior of the pool of heat pumps. In this respect a decentralized control approach offers a higher scalability compared with a centralized control approach. Thus a decentralized control approach based on game-theoretic methods is developed and presented here. For this purpose three game-theoretic optimization algorithms are examined. Their performance is analyzed and evaluated for two specific cases of application (reduction of peak load and tracking of a predefined load profile) by means of simulation. The results of both case studies illustrate, that game-theoretic control is easily applicable and can effectively be used to control a pool of heat pumps. Furthermore the developed control methodology can principally be adapted and utilized for all other electric loads with inherent storage functionality.