Commercial Buildings and complexes are no longer just national heat and power network energy loads, but they are becoming part of a smarter grid by including their own dedicated local heat and power generation. They do this by utilising both heat and power networks/micro-grids. A building integrated approach of Combined Heat and Power (CHP) generation with photovoltaic power generation (PV) abbreviated as CHPV is emerging as a complementary energy supply solution to conventional (i.e. national grid based) gas and electricity grid supplies in the design of sustainable commercial buildings and communities. The merits for the building user/owner of this approach are: to reduce life time energy running costs; reduce carbon emissions to contribute to UK’s 2020/2030 climate change targets; and provide a more flexible and controllable local energy system to act as a dynamic supply and/or load to the central grid infrastructure. The energy efficiency and carbon dioxide (CO2) reductions achievable by CHP systems are well documented. The merits claimed by these solutions are predicated on the ability of these systems being able to satisfy: perfect matching of heat and power supply and demand; ability at all times to maintain high quality power supply; and to be able to operate with these constraints in a highly dynamic and unpredictable heat and power demand situation. Any circumstance resulting in failure to guarantee power quality or matching of supply and demand will result in a degradation of the achievable energy efficiency and CO2 reduction. CHP based local energy systems cannot rely on large scale diversity of demand to create a relatively easy approach to supply and demand matching (i.e. as in the case of large centralised power grid infrastructures). The diversity of demand in a local energy system is both much greater than the centralised system and is also specific to the local system. It is therefore essential that these systems have robust and high performance control systems to ensure supply and demand matching and high power quality can be achieved at all times. Ideally this same control system should be able to make best use of local energy system energy storage to enable it to be used as a flexible, highly responsive energy supply and/or demand for the centralised infrastructure. In this thesis, a comprehensive literature survey has identified that there is no scientific and rigorous method to assess the controllability or the design of control systems for these local energy systems. Thus, the main challenge of the work described in this thesis is that of a controller design method and modelling approach for CHP based local energy systems. Specifically, the main research challenge for the controller design and modelling methodology was to provide an accurate and stable system performance to deliver a reliable tracking of power drawn/supplied to the centralised infrastructure whilst tracking the require thermal comfort in the local energy systems buildings. In the thesis, the CHPV system has been used as a case study. A CHPV based solution provides all the benefits of CHP combined with the near zero carbon building/local network integrated PV power generation. CHPV needs to be designed to provide energy for the local buildings’ heating, dynamic ventilating system and air-conditioning (HVAC) facilities as well as all electrical power demands. The thesis also presents in addition to the controller design and modelling methodology a novel CHPV system design topology for robust, reliable and high-performance control of building temperatures and energy supply from the local energy system. The advanced control system solution aims to achieve desired building temperatures using thermostatic control whilst simultaneously tracking a specified national grid power demand profile. The theory is innovative as it provides a stability criterion as well as guarantees to track a specified dynamic grid connection demand profile. This research also presents: design a dynamic MATLAB simulation model for a 5-building zone commercial building to show the efficacy of the novel control strategy in terms of: delivering accurate thermal comfort and power supply; reducing the amount of CO2 emissions by the entire energy system; reducing running costs verses national rid/conventional approaches. The model was developed by inspecting the functional needs of 3 local energy system case studies which are also described in the thesis. The CHPV system is combined with supplementary gas boiler for additional heating to guarantee simultaneous tracking of all the zones thermal comfort requirements whilst simultaneously tracking a specified national grid power demand using a Photovoltaics array to supply the system with renewable energy to reduce amount of CO2 emission. The local energy system in this research can operate in any of three modes (Exporting, Importing, Island). The emphasise of the thesis modelling method has been verified to be applicable to a wide range of case studies described in the thesis chapter 3. This modelling framework is the platform for creating a generic controlled design methodology that can be applied to all these case studies and beyond, including Local Energy System (LES) in hotter climates that require a cooling network using absorption chillers. In the thesis in chapter 4 this controller design methodology using the modelling framework is applied to just one case study of Copperas Hill. Local energy systems face two types of challenges: technical and nontechnical (such as energy economics and legislation). This thesis concentrates solely on the main technical challenges of a local energy system that has been identified as a gap in knowledge in the literature survey. The gap identified is the need for a controller design methodology to allow high performance and safe integration of the local energy system with the national grid infrastructure and locally installed renewables. This integration requires the system to be able to operate at high performance and safely in all different modes of operation and manage effectively the multi-vector energy supply system (e.g. simultaneous supply of heat and power from a single system).

Energy systems across the globe are going through a radical transformation as a result of technological and institutional changes, depletion of fossil fuel resources, and climate change. Accordingly, local energy initiatives are emerging and increasing number of the business models are focusing on the end-users. This requires the present centralized energy systems to be re-organized. In this context, Integrated community energy systems (ICESs) are emerging as a modern development to re-organize local energy systems allowing simultaneous integration of distributed energy resources (DERs) and engagement of local communities. With the emergence of ICESs new roles and responsibilities as well as interactions and dynamics are expected in the energy system. Although local energy initiatives such as ICESs are rapidly emerging due to community objectives, such as cost and emission reductions as well as resiliency, assessment and evaluation of the value that these systems can provide to both local communities and the whole energy system are still lacking. The value of ICESs is also impacted by the institutional settings internal and external to the system. With this background, this thesis aims to understand the ways in which ICESs can contribute to enhancing the energy transition. This thesis utilizes a conceptual framework consisting of institutional and societal levels in order to understand the interaction and dynamics of ICESs implementation.  Current energy trends and the associated technological, socio-economic, environmental and institutional issues are reviewed. The developed ICES model performs optimal planning and operation of ICESs and assesses their performance based on economic and environmental metrics. For the considered community size and local conditions, grid-connected ICESs are already beneficial to the alternative of solely being supplied from the grid, both in terms of total energy costs and CO2 emissions, whereas grid-defected systems, although performing very well in terms of CO2 emissions reduction, are still rather expensive. ICESs ensure self-provision of energy and can provide essential system services to the larger energy system. This thesis has demonstrated the added value of ICESs to the individual households, local communities and the society. A comprehensive institutional design considering techno-economic and institutional perspectives is necessary to ensure effective contribution of ICESs in the energy transition. / Energisystem över hela världen går igenom en radikal omvandling till följd av tekniska och institutionella förändringar, utarmning av fossila bränsleresurser och klimatförändringar. Följaktligen växer lokala energiinitiativ fram och ett ökande antal affärsmodeller fokuserar på slutanvändarna. Detta förutsätter att de nuvarande centraliserade energisystemen omorganiseras. I det här sammanhanget utvecklas integrerade samhällsenergisystem (ICES) som en modern utveckling för att omorganisera lokala energisystem som möjliggör samtidig integration av distribuerade energiresurser och engagemang från lokala samhällen. Med framväxten av ICES nya roller och ansvarsområden samt interaktioner och dynamik förväntas i energisystemet. Även om lokala energiinitiativ som ICES snabbt framträder på grund av samhällsmål, såsom kostnad och utsläppsminskningar samt resiliens, bedömning och utvärdering av det värde som dessa system kan ge till både lokala samhällen och hela energisystemet saknas fortfarande. Värdet av ICES-värden påverkas också av de institutionella inställningarna internt och externt för systemet. Med denna bakgrund syftar denna avhandling till att förstå hur ICES kan bidra till att förbättra energiövergången. Denna avhandling använder en konceptuell ram som består av institutionella och samhälleliga nivåer för att förstå samspelet och dynamiken i ICES-genomförandet. Nuvarande energitrender och de därtill hörande tekniska, socioekonomiska, miljömässiga och institutionella frågorna ses över. Den utvecklade ICES-modellen utför optimal planering och drift av ICES och bedömer deras prestanda baserat på ekonomiska och miljömässiga mätvärden. För den ansedda samhällsstorleken och lokala förhållandena är nätanslutna ICES redan fördelaktiga jämfört med alternativet att endast försörjas från nätet, både när det gäller totala energikostnader och koldioxidutsläpp, medan nät-defekterade system, även om de fungerar väldigt bra i termer av minskningen av koldioxidutsläppen fortfarande är ganska dyra. ICES garanterar självförsörjning av energi och kan tillhandahålla viktiga systemtjänster till det större energisystemet. Denna avhandling har visat mervärdet av ICES till de enskilda hushållen, lokalsamhällena och samhället. En omfattande institutionell utformning med hänsyn till de tekno-ekonomiska och institutionella perspektiven är nödvändigt för att säkerställa ett effektivt bidrag från ICES i energiövergången. / Los sistemas energéticos en todo el mundo atraviesan una transformación radical como resultado de cambios tecnológicos e institucionales, el agotamiento de combustibles fósiles y el cambio climático. Por consiguiente, las iniciativas locales de energía están surgiendo y los modelos de negocio se centran cada vez más en los usuarios finales. Esto requiere la reorganización de los actuales sistemas energéticos centralizados. En este contexto, los sistemas integrados de energía comunitaria (ICES, por sus siglas en inglés) están emergiendo como un desarrollo moderno para reorganizar los sistemas energéticos locales, permitiendo la integración simultánea de los recursos energéticos distribuidos y la participación de las comunidades locales. Con la aparición de ICESs se esperan nuevos roles y responsabilidades, así como interacciones y dinámicas, en el sistema energético. Aunque las iniciativas locales en materia de energía, como las ICESs, están surgiendo rápidamente debido a los objetivos de la comunidad, tales como la reducción de costos y emisiones, así como la resiliencia, y la evaluación, siguen careciendo del valor que estos sistemas pueden brindar tanto a las comunidades locales como a todo el sistema energético. El valor de los ICESs también se ve afectado por los entornos institucionales tanto internos como externos al sistema. Con este trasfondo, esta tesis pretende comprender las formas en que los ICESs pueden contribuir a mejorar la transición energética. Esta tesis utiliza un marco conceptual que consiste en niveles institucionales y sociales para comprender la interacción y dinámica de la implementación de los ICESs.  Además, esta tesis revisa las tendencias actuales de energía y los problemas tecnológicos, socioeconómicos, ambientales e institucionales asociados. La tesis desarrolla un modelo que optimiza la planificación y el funcionamiento óptimos de ICESs y evalúa su funcionamiento basado en métricas económicas y ambientales. Para el tamaño de la comunidad y las condiciones locales consideradas, los ICESs conectados a la red ya son beneficiosos tanto en términos de costos totales de energía como de emisiones de CO2 comparado con la alternativa de ser suministrados únicamente desde la red, mientras que los sistemas aislados y desconectados de la red, aunque desempeñándose muy bien en términos de reducción emisiones de CO2, siguen siendo bastante más costosos. Los ICESs garantizan el autoabastecimiento de energía y pueden proporcionar servicios esenciales al resto del sistema energético. Esta tesis demuestra el valor añadido de los ICESs a los hogares individuales, las comunidades locales y la sociedad. Un diseño integral que considere las perspectivas tecno-económicas e institucionales es necesario para asegurar la contribución efectiva de los ICESs en la transición energética. / Energiesystemen over de hele wereld gaan door een radicale transformatie als gevolg van technologische en institutionele veranderingen, uitputting van fossiele brandstoffen en klimaatverandering. Bijgevolg komen lokale energie-initiatieven op en richten steeds meer verdienmodellen zich op de eindgebruikers. Dit vereist dat de huidige gecentraliseerde energiesystemen opnieuw worden georganiseerd. In deze context komen geïntegreerde energiegemeenschapssystemen (ICESs) op als een moderne ontwikkeling om lokale energiesystemen te reorganiseren, welke gelijktijdige integratie van lokale energiebronnen en betrokkenheid van lokale gemeenschappen mogelijk maakt. Het wordt verwacht dat de opkomst van ICESs zowel nieuwe rollen en verantwoordelijkheden met zich meebrengt. Hoewel lokale energie-initiatieven zoals ICESs snel opkomen door de  doelstellingen van de gemeenschap, zoals kosten- en emissiereducties en veerkracht, schort het nog steeds aan beoordeling en evaluatie van de waarde die deze systemen kunnen hebben voor zowel de lokale gemeenschappen als het hele energiesysteem. De waarde van ICESs wordt ook beïnvloed door de institutionele kenmerken binnen en buiten het systeem. Met deze achtergrond beoogt dit proefschrift te begrijpen op welke manieren de ICESs kunnen bijdragen aan de verbetering van de energietransitie. Dit proefschrift maakt gebruik van een conceptueel raamwerk bestaande uit institutionele en maatschappelijke niveaus om de interactie en dynamiek van de implementatie van de ICES te begrijpen. De huidige energietrends en de bijbehorende technologische, sociaal-economische, milieu- en institutionele problemen worden beoordeeld. Het ontwikkelde ICES-model voert optimale planning en gebruik van ICESs uit en beoordeelt hun prestaties op basis van economische en milieu-indicatoren. Voor de beschouwde gemeenschapsgrootte en lokale omstandigheden zijn  op het net aangesloten ICESs al voordelig ten opzichte van het alternatief waarbij uitsluitend vanuit het net wordt geleverd, zowel wat betreft de totale energiekosten als de CO2-uitstoot, terwijl de grid-defected systemen, hoewel heel goed presterend in termen van CO2-emissiereductie, nog steeds vrij duur zijn. ICESs zorgen voor zelfvoorziening van energie en kunnen essentiële systeemdiensten leveren aan het grotere energiesysteem. Dit proefschrift heeft de toegevoegde waarde van ICESs voor de individuele huishoudens, lokale gemeenschappen en de samenleving aangetoond. Een uitgebreid institutioneel ontwerp met inachtneming van techno-economische en institutionele perspectieven is nodig om de effectieve bijdrage van de ICESs in de energietransitie te waarborgen. / <p>QC 20170911</p> / Sustainable Energy Technologies and Strategies

In zukünftigen Elektroenergiesystemen wird die dezentrale, häufig auf erneuerbaren Quellen basierende Energieversorgung eine große Bedeutung einnehmen. Die wachsende Präsenz der dezentralen Erzeugung in verschiedenen Spannungsebenen des elektrischen Netzes erfordert neue Konzepte zur Regelung des elektrischen Energieversorgungssystems. Insbesondere gibt es eine Tendenz auch kleine Netzbereiche autonome, d.h. vom Verbundnetz unabhängig zu betreiben. In diesem Zusammenhang müssen die Stabilitäts- und Regelungsaspekte immer stärker berücksichtigt werden. Die vorliegende Untersuchung konzentriert sich auf die Beurteilung und die Verbesserung der Stabilität von Windkraftanlagen (WKA). Die Integration von WKA zur dezentralen Energieversorgung in lokale Energienetze unter besonderer Berücksichtigung der Systemsstabilität ist das Ziel dieser Arbeit. Hierfür muss die Analyse der Stabilität einer WKA sowohl qualitativ als auch quantitativ durchgeführt werden, um die Faktoren zu ermitteln, die zur Verbesserung der Systemsstabilität beitragen. Der darauf basierte Entwurf von Regelstrategien für ein verbessertes dynamisches und transientes Verhalten wird theoretisch und durch numerische Simulationen validiert.

In zukünftigen Elektroenergiesystemen wird die dezentrale, häufig auf erneuerbaren Quellen basierende Energieversorgung eine große Bedeutung einnehmen. Die wachsende Präsenz der dezentralen Erzeugung in verschiedenen Spannungsebenen des elektrischen Netzes erfordert neue Konzepte zur Regelung des elektrischen Energieversorgungssystems. Insbesondere gibt es eine Tendenz auch kleine Netzbereiche autonome, d.h. vom Verbundnetz unabhängig zu betreiben. In diesem Zusammenhang müssen die Stabilitäts- und Regelungsaspekte immer stärker berücksichtigt werden. Die vorliegende Untersuchung konzentriert sich auf die Beurteilung und die Verbesserung der Stabilität von Windkraftanlagen (WKA). Die Integration von WKA zur dezentralen Energieversorgung in lokale Energienetze unter besonderer Berücksichtigung der Systemsstabilität ist das Ziel dieser Arbeit. Hierfür muss die Analyse der Stabilität einer WKA sowohl qualitativ als auch quantitativ durchgeführt werden, um die Faktoren zu ermitteln, die zur Verbesserung der Systemsstabilität beitragen. Der darauf basierte Entwurf von Regelstrategien für ein verbessertes dynamisches und transientes Verhalten wird theoretisch und durch numerische Simulationen validiert.