<  Back to the Polytechnique Montréal portal

Mean Field Game-Based Control of Dispersed Energy Storage Devices with Constrained Inputs

Feng Li

Master's thesis (2016)

Open Access document in PolyPublie
[img]
Preview
Open Access to the full text of this document
Terms of Use: All rights reserved
Download (1MB)
Show abstract
Hide abstract

Abstract

With the increasing levels of renewable power generation (wind turbines,solar panels) connected to power grids, it is becoming important to balance the load and the generation while variability issue exists for renewable resources. It has been studied that energy storage devices, in particularthose naturally present in the power system (such as electric water heaters, electric space heaters, etc. in households), can become potential sources to help mitigate such variability. In order to minimize the communication bandwidth and computation efforts, a decentralized control mechanism is developed in this research to shape the aggregate load profile of a large population of electric space heaters in a power system. Under the control mechanism, the mean-field trajectory (temperature) of the load population is controlled to follow a targettemperature, and the control input for each device is generated locally and must respect certain constraint. We formulate the problem as a linear quadratic (LQ) tracking problem with constrained inputs under the meanfield game (MFG) settings. The decentralized mechanism is then derived based on the equilibrium solution to the formulated model. The equilibrium solution is obtained when each individual agent of the game chooses a best response to the so-called mass effect of the population via couplingsof their individual dynamics and cost functions; when all agents choose the optimal strategies, collectively the mass effect should be replicated. In this sense, the equilibrium solution is a fixed point of the system, and can bemathematically characterized by a mean-field (MF) fixed point equation system. In such MFG setup, agents are weakly coupled, meaning that an agent has a negligible influence on the overall system while the mean-fieldbehavior of the population has a significant effect on any individual agent.

Résumé

Avec plus de production d'énergie renouvelable (éoliennes, panneaux solaires) connectés au réseau électrique, il devient important d'équilibrer lacharge et la production alors que la variabilité est un problème pour les ressources renouvelables. On a étudié les dispositifs de stockage d'énergie, en particulier ceux qui sont naturellement présents au réseau électrique(tels que les chauffe-eau électriques, les chauffages électriques, etc. dans les ménages) pourraient devenir des sources potentielles pour atténuer ce problème de variabilité. Afin de minimiser le besoin de communication et les efforts de calcul, un mécanisme de contrôle décentralisé est développé dans cette recherchepour contrôler la trajectoire de champ moyen d'une grande population de chauffages électriques pour suivre (ou atteindre) une cible de température. Le contrôle optimal pour chaque chauffage ou joueur est localement calculéet respecte certaines contraintes. Le problème de contrôle est formulé comme un problème de commande linéaire quadratique (LQ) avec des entrées contraintes dans la théorie du jeu de champ moyen, en anglais, MeanField Game (MFG). Le mécanisme de contrôle décentralisé est développé à partir de la solution d'équilibre du modèle, cette dernière est obtenue lorsque chaque joueur individuel choisit la meilleure réponse au champ moyen basé sur l'état global de la population. En choisissant les stratégiesoptimales, tous les joueurs reproduisissent collectivement le champ moyen de la population. En ce sens, la solution d'équilibre est un point fixe du système. Dans une configuration de MFG, les joueurs sont faiblement couplés,ce qui signifie qu'un joueur a une influence négligeable sur le système global tandis que le comportement de la population entière a un effet significatif sur chaque joueur individuel.
Department: Department of Electrical Engineering
Program: génie électrique
Academic/Research Directors: Jérôme Le Ny, Roland P. Malhamé
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/2435/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 06 Jun 2017 10:05
Last Modified: 12 Nov 2022 08:58
Cite in APA 7: Li, F. (2016). Mean Field Game-Based Control of Dispersed Energy Storage Devices with Constrained Inputs [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/2435/

Statistics

Total downloads

Downloads per month in the last year

Origin of downloads

Repository Staff Only

View Item View Item