Supervisory Energy Management and Control of Grid-Connected Net Zero Energy Buildings Using Co-Simulation. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MSc Thesis) Thesis_e_print.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 9 June 2027. Download (9MB)

Arabic Abstract

تطوّر هذه الرسالة وتقيّم إطاراً مقيداً فيزيائياً لإدارة الطاقة الإشرافية في مبنى سكني متصل بالشبكة من نوع Net Zero-Energy Building (NZEB) في مدينة الدمام، المملكة العربية السعودية. يدمج النظام المدروس منظومة خلايا كهروضوئية سطحية Photovoltaic (PV)، ونظام تخزين طاقة ببطارية ليثيوم-أيون Lithium-ion Battery Energy Storage، وواجهة اتصال مع الشبكة الكهربائية Utility Grid، إضافة إلى فرع حراري قابل للإزاحة Shiftable Thermal Branch يُستخدم كطبقة مرونة إضافية. وتتمثل المشكلة الرئيسية في عدم التوافق التشغيلي بين التوليد المتغير من منظومة PV والطلب السكني المتغير زمنياً، مما يتطلب تنسيقاً فعالاً بين تشغيل البطارية Battery Dispatch، وإدارة الاستيراد والتصدير من الشبكة Grid Import/Export Management، وتشغيل الحمل المرن ضمن قيود تشغيلية واقعية. يعتمد الإطار المقترح على استخدام HOMER للتصميم والتحجيم الأولي، وTRNSYS للمحاكاة الديناميكية، وMATLAB لتنفيذ خوارزمية التحكم الإشرافي من خلال واجهة المحاكاة المشتركة Type 155. تم دراسة حالتين إشرافيتين مترابطتين. في الحالة الأولى، يعمل النظام دون تفعيل إزاحة الحمل، حيث تتم مقارنة متحكم قائم على القواعد Rule-Based Controller (RBC) مع متحكم ضبابي تكيفي Adaptive Fuzzy Logic Controller (AFLC) تحت نفس طبقة الحماية والقيود التشغيلية. يستخدم AFLC كلاً من عدم توازن القدرة الصافية Net Power Mismatch وحالة شحن البطارية State of Charge (SOC) كمتغيرات قرار، كما يتضمن منطقة عدم استجابة Deadband، وتحجيماً تكيفياً للمدخلات Adaptive Input Scaling، واستدلالاً ضبابياً Fuzzy Inference، وتعديلاً للمخرج Output Moderation، وتنعيم أمر القدرة Command Smoothing. كما تم اختبار ثلاث قواعد تشغيلية للمتحكم الضبابي، وهي المحافظة Conservative، والمتوازنة Balanced، والعدوانية Aggressive، وتم اختيار القاعدة المتوازنة لأنها تقدم أفضل حل وسط بين قدرة الدعم التشغيلي والمحافظة على البطارية. أظهرت النتائج أن RBC يحقق انخفاضاً أكبر قليلاً في استيراد الطاقة من الشبكة لأنه يستخدم البطارية بصورة أكثر قوة أثناء فترات العجز. في المقابل، يوفر Balanced AFLC تشغيلاً أكثر مراعاة للبطارية، من خلال تقليل إجمالي طاقة البطارية المتداولة، وتقليل تيار البطارية الفعال RMS Current، وتقليل مدى تغير SOC، وتحسين سلاسة قدرة البطارية، مع الحفاظ على قيمة أعلى للحد الأدنى من SOC. وفي الحالة الممتدة، يقوم الفرع الحراري القابل للإزاحة بتوجيه فائض PV المتبقي نحو طلب داخلي مفيد، مما خفّض طاقة الاستيراد الأسبوعية من الشبكة بنسبة 33.6%، وطاقة التصدير بنسبة 28.3%، وإجمالي تبادل الطاقة مع الشبكة بنسبة 30.8%، وقدرة الاستيراد العظمى بنسبة 29.8%، وقدرة التصدير العظمى بنسبة 14.8%. وبشكل عام، تثبت الرسالة أن الإطار الإشرافي المقترح ذي المرحلتين يحسن تشغيل NZEB من خلال الجمع بين تشغيل بطارية أكثر وعياً بحالتها باستخدام AFLC، وإزاحة حمل حراري ذات أولوية لفائض PV، بما يقلل التفاعل مع الشبكة ويحسن الاستفادة المحلية من الطاقة المتجددة.

English Abstract

This thesis develops and evaluates a physically constrained supervisory energy-management framework for a grid-connected residential net zero-energy building (NZEB) in Al Dammam, Saudi Arabia. The studied system integrates rooftop photovoltaic (PV) generation, lithium-ion battery energy storage, utility-grid connection, and a shiftable thermal branch introduced as an additional flexibility layer. The main problem addressed is the operational mismatch between variable PV generation and time-varying residential demand, which requires effective coordination of battery dispatch, grid import/export, and flexible-load operation under realistic operating constraints. The proposed framework combines HOMER-based preliminary sizing with dynamic TRNSYS simulation and MATLAB-based supervisory control through the Type 155 co-simulation interface. Two linked supervisory cases are investigated. In the first case, the system operates without load shifting, and a structured rule-based controller (RBC) is compared with an adaptive fuzzy logic controller (AFLC) under the same constraint and operational-limiting framework. The AFLC uses net power mismatch and battery state of charge as decision variables and incorporates deadband operation, adaptive input scaling, fuzzy inference, output moderation, and command smoothing. Conservative, balanced, and aggressive AFLC rule-base scenarios are also examined, and the balanced rule base is selected as the final controller because it provides the most suitable compromise between support capability and battery preservation. The results show that the RBC achieves slightly lower grid import because it uses the battery more aggressively. However, the balanced AFLC provides more battery-aware operation by reducing battery throughput, RMS current, SOC excursion, and battery-power roughness while preserving a higher minimum SOC. In the extended case, the shiftable thermal branch redirects residual PV toward useful internal demand, reducing weekly grid import energy by 33.6%, grid export energy by 28.3%, total grid exchange by 30.8%, peak grid import power by 29.8%, and peak grid export power by 14.8%. Overall, the thesis demonstrates that the proposed two-stage supervisory framework improves NZEB operation by combining battery-aware AFLC dispatch with PV-priority load shifting to reduce grid interaction and improve local renewable-energy utilization.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Systems Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Control and Instrumentation Engineering
Thesis Advisor:	Md Shafiullah,
Thesis Committee Members:	Mohamed Abido, Nezar Yazidi,
Depositing User:	SLMAN MOHAMMED ABAKER AHMED
Date Deposited:	09 Jun 2026 11:05
Last Modified:	09 Jun 2026 11:05
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144547