Control of flow networks with constraints and optimality conditions

Meer dan 40% van de totale energieconsumptie wordt gebruikt voor gebouwverwarming terwijl het grootste gedeelte wordt gegenereerd door fossiele brandstoffen. Gelukkig is er een verschuiving naar meer hernieuwbare bronnen zoals geothermie, restwarmte en warmtepompen. Echter, de productie van deze bronnen kan fluctueren en bevind zich vaak niet op dezelfde locatie als de vraag. Om deze redenen kan een warmtenetwerk met opslagmogelijkheden gebruikt worden voor het transport en garantie van aflevering. Een nadeel is dat een deel van de warmte verloren gaat in de pijpen. Deze verliezen kunnen kleiner gemaakt worden door de pijpen te verkleinen maar heeft als gevolg dat de wrijving in de pijpen toeneemt. Om dit op te lossen kunnen meerdere pompen geïnstalleerd worden.Door de extra pompen en de toevoeging van meerder producenten die niet noodzakelijk worden beheerd door één partij, volgt het dat de volgende generatie van warmtenetten nieuwe regeltechnische strategieën nodig hebben. In dit proefschrift ontwerpen en analyseren we zulke strategieën om de productie optimaal te coördineren en de opslagniveaus te reguleren zodanig dat de warmtelevering gegarandeerd kan worden. Om schaalbaarheid te garanderen, een ‘single point of failure’ te voorkomen en informatie-uitwisseling te minimaliseren stellen we een gedistribueerd mechanisme voor dat een peer-to-peer communicatienetwerk gebruikt. We ontwerpen ook regelaars die de druk in de netwerken met meerdere pompen reguleert. Omdat deze pompen vaak alleen een positieve druk kunnen leveren zorgen we er voor dat aan deze voorwaarde wordt voldaan.More than 40% of the total consumed energy is used for space heating and most of it is generated form fossil fuels. Fortunately there is a shift towards more sustainable sources such as geothermal energy, waste heat and heat pumps. However the supply of these heat sources can be intermittent and is often not co-located with the demand. For this reason a district heating network with storage capabilities can be used for the transportation and security of delivery. A downside is that some heat dispersion occurs in the transportation pipes. This dispersion can be lowered when smaller pipes are used, but this increases the friction in the pipes. To overcome this, the number of pumps in these networks can be increased.Due to the extra pumps and the introduction of multiple producers that are not nessecarily owned by the same entity it follows that the next generation of heat networks require new control strategies in which communication is crucial. In this thesis we design and analyze such control strategies to optimally coordinate the generation and regulate the storage levels such that the heat supply can be guaranteed. In order to guarantee scalability, avoid a single point of failure and minimize the information that companies need to share, we suggest a distributed mechanism that uses a peer-to-peer communication network. We also design controllers that can regulate the pressure in a network with multiple pumps. As these pumps can often only generate positive pressures we guarantee that this constraint is satisfied