Optimization and game theory methods for smart energy grids

Abstract

The global power sector is undergoing a radical transition in the way electricity is produced, distributed and consumed. Firstly, the deregulation of the power sector with the introduction of liberalized electricity markets has drastically changed the decision-making framework in the planning and operational stages of the power systems. Furthermore, the rapidly increasing penetration of unpredictable and variable renewable energy into the generation mix due to environmental concerns has highly complicated the task of constantly balancing production with consumption, and therefore has greatly increased the Transmission System Operator’s (TSO) need for flexibility in the power system. Moreover, the ever-increasing installation of “behind-the-meter” resources, along with the electrification of industry, transportation, heating and cooling sectors have shifted the focus of system operators towards the low and medium voltage networks. This evolving decentralization of power systems brought by the advent of Distributed Energy Resources (DERs) has introduced new technical and operational challenges for the Distribution System Operators (DSOs) as well. Thus, the role of the DSOs should be evolved from network operators to active system operators, in order to closely collaborate with TSOs and procure the necessary flexibility that will allow them to ensure the smooth operation of their networks. The aforementioned trends necessitate bottom-up investments in distributed energy and flexibility resources, which are able to provide low-cost energy and network services to both the DSOs and TSOs via various marketplaces. To this end, coordination schemes between DSOs and TSOs should be established in order for the seamless participation of DERs in local and system-wide electricity markets to be ensured.In this context, the business model of an Energy Service Provider (ESP) emerges. ESPs are private-based power system stakeholders and market actors that own portfolios of diverse assets that seek to secure the sustainability of their investments through providing energy and flexibility services to the system operators and the end-users. In this dissertation, we envisage an ESP that operates as a retailer and also invests in a portfolio of diverse distributed energy and flexibility resources. ESP offers energy and ancillary network services to both the TSO and the DSO via its participation in the respective electricity markets and the optimal management of its assets. Towards the financial sustainability of its investments, we propose algorithmic tools that model the decision-making process of the ESP in both investment and operational stages. More specifically, we first propose an ESP-DSO-TSO coordination framework using bilevel modeling, within which network-aware and market-aware investments are determined. Our proposed investment model produces benefits for all the involved parties. Then, we examine the market strategy of an ESP in two distinct use cases, i.e., regulated and deregulated operation of the distribution network. In the second use case particularly, we introduce an innovative energy market architecture, in which a distribution-level flexibility market is introduced, which: (1) provides DSOs with the flexibility they need in order to maintain the secure operation of their networks at minimum cost, and (2) creates new revenue streams for the distributed energy and flexibility units. In both use cases, we have used bilevel programming in order to model the strategic participation of the ESP in various electricity markets. Finally, in order to reduce the ESP’s cost of energy required to meet the demand of its costumers/end-users, we propose an innovative pricing mechanism that triggers changes in electricity consumer’s behavior promoting energy efficiency.

Τις τελευταίες δεκαετίες, παγκοσμίως έχει αλλάξει ριζικά ο τρόπος που παράγεται, διανέμεται και καταναλώνεται η ηλεκτρική ενέργεια. Αρχικά, η απορρύθμιση του τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας με την εισαγωγή ανταγωνιστικών αγορών έχει αλλάξει δραστικά το πλαίσιο λήψης αποφάσεων, τόσο στο στάδιο του σχεδιασμού, όσο και σε αυτό της λειτουργίας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, η αυξανόμενη διείσδυση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στο μείγμα της ηλεκτροπαραγωγής έχει περιπλέξει σημαντικά το έργο της συνεχούς εξισορρόπησης της παραγωγής με τη ζήτηση και ως εκ τούτου έχει αυξήσει σημαντικά την ανάγκη των Διαχειριστών των Δικτύων Μεταφοράς (ΔΔΜ) για ευελιξία (flexibility). Ακόμα, η συνεχιζόμενη εγκατάσταση μονάδων «πίσω από τον μετρητή» («behind-the-meter»), καθώς και ο εξηλεκτρισμός των τομέων της βιομηχανίας, των μεταφορών και της θέρμανσης/ψύξης, έχουν μετατοπίσει το διαχειριστικό ενδιαφέρον προς τα δίκτυα μέσης και χαμηλής τάσης. Αυτή η εξελισσόμενη αποκεντροποίηση των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας που φέρνει η είσοδος των Κατανεμημένων Πηγών Ενέργειας εισάγει νέες τεχνικές προκλήσεις και για τους Διαχειριστές των Δικτύων Διανομής (ΔΔΔ). Συνεπώς, οι ΔΔΔ θα πρέπει να αναλάβουν έναν πιο ενεργό ρόλο από αυτόν που κατέχουν σήμερα, ο οποίος θα τους επιτρέπει να συνεργάζονται στενά με τον ΔΔΜ και να αποκτήσουν την απαραίτητη ευελιξία ώστε να εξασφαλίσουν την ομαλή και εύρωστη λειτουργία των δικτύων τους. Οι προαναφερθείσες τάσεις που επικρατούν στον σύγχρονο τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας, καθιστούν απαραίτητες «από τα κάτω προς τα πάνω» («bottom-up») επενδύσεις σε κατανεμημένες πηγές ενέργειας και ευελιξίας, οι οποίες μπορούν να προσφέρουν χαμηλού κόστους υπηρεσίες στους διαχειριστές των δικτύων μέσω της συμμετοχής τους στις διάφορες αγορές ηλεκτρικής ενέργειας. Για τον σκοπό αυτό, θα πρέπει να σχεδιαστούν πλαίσια συνεργασίας μεταξύ των διαχειριστών των δικτύων (ΔΔΜ-ΔΔΔ) προκειμένου να εξασφαλιστεί η απρόσκοπτη συμμετοχή στις αγορές των κατανεμημένων μονάδων ενέργειας και ευελιξίας. Στο πλαίσιο αυτό, αναδεικνύεται το μοντέλο των Παρόχων Ενεργειακών Υπηρεσιών (ΠΕΥ). Οι ΠΕΥ είναι συμμετέχοντες στις αγορές ηλεκτρικής ενέργειας και κάτοχοι χαρτοφυλακίων που περιλαμβάνουν μονάδες διαφόρων τεχνολογιών, οι οποίοι επιδιώκουν να διασφαλίσουν τη βιωσιμότητα των επενδύσεών τους, παρέχοντας υπηρεσίες ενέργειας και ευελιξίας στου διαχειριστές των δικτύων και στους τελικούς καταναλωτές. Στην παρούσα διατριβή, θεωρούμε ΠΕΥ που αφενός καλύπτουν τη ζήτηση των πελατών τους/τελικών καταναλωτών, και αφετέρου επενδύουν σε χαρτοφυλάκια ποικίλων κατανεμημένων μονάδων ενέργειας και ευελιξίας. Ένας ΠΕΥ προσφέρει ενέργεια και επικουρικές υπηρεσίες (ancillary services) τόσο στον ΔΔΜ όσο και στον ΔΔΔ μέσω της συμμετοχής του στις αντίστοιχες αγορές και της βέλτιστης διαχείρισης του χαρτοφυλακίου του. Για την διασφάλιση της οικονομικής βιωσιμότητας των επενδύσεών του, προτείνουμε αλγοριθμικά εργαλεία που μοντελοποιούν τη διαδικασία λήψης αποφάσεων του ΠΕΥ τόσο στο επενδυτικό όσο και στο λειτουργικό στάδιο. Πιο συγκεκριμένα, προτείνουμε ένα πλαίσιο συνεργασίας μεταξύ ΠΕΥ-ΔΔΔ-ΔΔΜ χρησιμοποιώντας μοντελοποίηση διεπίπεδου προγραμματισμού, εντός του οποίου καθορίζονται οι επενδύσεις λαμβάνοντας υπόψιν τη λειτουργία των δικτύων και το περιβάλλον της αγοράς. Το προτεινόμενο επενδυτικό μας μοντέλο δημιουργεί οφέλη για όλα τα εμπλεκόμενα μέρη. Στη συνέχεια, εξετάζουμε τη στρατηγική του ΠΕΥ όσον αφορά τη συμμετοχή τους στις αγορές σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις: ρυθμισμένη και απορρυθμισμένη λειτουργία του δικτύου διανομής. Ειδικότερα στη δεύτερη περίπτωση, προτείνουμε μια καινοτόμα αρχιτεκτονική αγοράς ενέργειας, στην οποία εισάγεται μία αγορά ευελιξίας στο επίπεδο διανομής, η οποία: (1) παρέχει στους ΔΔΔ την ευελιξία που χρειάζονται προκειμένου να διατηρήσουν την ασφαλή λειτουργία των δικτύων τους με το ελάχιστο κόστος, και (2) δημιουργεί νέες ροές εσόδων για της κατανεμημένες μονάδες ενέργειας και ευελιξίας. Και στις δύο περιπτώσεις, χρησιμοποιήσαμε μοντέλα διεπίπεδου προγραμματισμού προκειμένου να μοντελοποιήσουμε τη στρατηγική συμμετοχή του ΠΕΥ σε διάφορες αγορές ηλεκτρικής ενέργειας. Τέλος, προκειμένου να μειωθεί το κόστος ενέργειας του ΠΕΥ που απαιτείται για την κάλυψη της ζήτησης των πελατών του/τελικών καταναλωτών, προτείνουμε έναν καινοτόμο μηχανισμό δίκαιης τιμολόγησης, ο οποίος κινητροδοτεί τους τελικούς καταναλωτές να αλλάξουν καταναλωτική συμπεριφορά και να υιοθετήσουν ενεργειακά αποδοτικές καταναλωτικές συνήθειες.