Βελτιστοποίηση διαχείρισης ενεργών δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας με ετερογενείς πηγές ευελιξίας

Abstract

The ever-increasing presence of distributed energy resources (DER) in the electric grid, in the form of distributed generation, energy storage and flexible loads, poses significant challenges to the distribution system operator (DSO). Nonetheless, DER can contribute to the flexible management of the operation of the distribution system. This PhD thesis focuses on optimizing the management of active distribution networks (DNs) by utilizing heterogeneous sources of flexibility, i.e., flexibility that is sourced by DER of different technologies with different technical characteristics.Firstly, the impact of the ever-increasing penetration of DER on the distribution networks is analyzed, as well as their benefits as sources of flexibility for the effective management of active DNs are highlighted. Furthermore, a comprehensive literature review is presented for the methods and models that optimize the management of active DNs, both in the stage of operational planning and in the stage of real-time dispatch. Consequently, the research focuses on the development of innovative optimization methods that cover, financially and technically, the above-mentioned stages for the management of active DNs.The problem of operational planning of active DNs is solved with a novel two-stage stochastic programming model that takes into consideration weighted forecasting scenarios of the electric load and the variable production of renewable energy sources (RES). The operational schedule determines a) the schedule of active power flows in the interconnection of the DN with the transmission system, and b) the required amounts of DER flexibility that is committed for the stage of real-time dispatch.Then, the problem of real-time dispatch of the available DER flexibility is solved with a novel methodology that is based on the principles of model predictive control to reduce the deviations from the dispatch schedule and to minimize the operational costs of the DN. In addition, the response time of DER flexibility to the dispatch orders (set-points) that are sent by the DSO is taken into account.Finally, the financial management of active DNs is modeled within a bi-level programming framework that is based on the Stackelberg model with one leader and multiple followers, and is solved as a problem of mathematical program with equilibrium constraints. The DSO (leader) organizes a local flexibility market, in which aggregators of flexible loads, RES and energy storage systems participate as providers of flexibility services (followers).

Η διαρκώς αυξανόμενη παρουσία διανεμημένων ενεργειακών πόρων (ΔΕΠ) στο ηλεκτρικό δίκτυο, υπό τη μορφή διανεμημένης παραγωγής, αποθήκευσης ενέργειας και ευέλικτων φορτίων, θέτει σημαντικές προκλήσεις στον Διαχειριστή του δικτύου διανομής (ΔΔ). Την ίδια στιγμή, οι ΔΕΠ μπορούν να αποτελέσουν πηγές ευέλικτης διαχείρισης της λειτουργίας του ΔΔ. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στη βελτιστοποίηση της διαχείρισης των ενεργών ΔΔ αξιοποιώντας ετερογενείς πηγές ευελιξίας, δηλαδή την ευελιξία που προέρχεται από ΔΕΠ διαφόρων τεχνολογιών με διαφορετικά τεχνικά χαρακτηριστικά. Αρχικά, παρουσιάζονται οι επιπτώσεις που προκύπτουν από τη διαρκώς αυξανόμενη διείσδυση των ΔΕΠ, αλλά και τα οφέλη τους ως πηγές ευελιξίας στα ενεργά ΔΔ. Ακολουθεί μια βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με τα μοντέλα βελτιστοποίησης και τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για τη διαχείριση των ενεργών ΔΔ, τόσο στο στάδιο προγραμματισμού λειτουργίας, όσο και στο στάδιο λειτουργίας και κατανομής σε πραγματικό χρόνο. Στη συνέχεια, η έρευνα εστιάζεται στην ανάπτυξη καινοτόμων μοντέλων βελτιστοποίησης που καλύπτουν, τεχνικά και οικονομικά, τα παραπάνω στάδια διαχείρισης των ενεργών ΔΔ. Το πρόβλημα του προγραμματισμού λειτουργίας των ενεργών ΔΔ προσεγγίζεται με ένα καινοτόμο μοντέλο στοχαστικού προγραμματισμού δύο σταδίων που λαμβάνει υπόψη σταθμισμένα σενάρια πρόβλεψης του ηλεκτρικού φορτίου και της μεταβλητής παραγωγής από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ). Με τον προγραμματισμό λειτουργίας καθορίζονται: α) το πρόγραμμα ροών ισχύος στη διασύνδεση του ΔΔ με το σύστημα μεταφοράς, και β) η ευελιξία των ΔΕΠ που δεσμεύεται για το στάδιο της κατανομής σε πραγματικό χρόνο. Στη συνέχεια, το πρόβλημα της κατανομής της ευελιξίας των ΔΕΠ σε πραγματικό χρόνο επιλύεται με ένα καινοτόμο μοντέλο προβλεπτικού ελέγχου προκειμένου να περιοριστούν οι αποκλίσεις από το πρόγραμμα λειτουργίας και να ελαχιστοποιηθεί το λειτουργικό κόστος του ΔΔ. Επιπλέον, λαμβάνεται υπόψη ο χρόνος απόκρισης των πηγών ευελιξίας στις εντολές κατανομής που αποστέλλει ο Διαχειριστής του ΔΔ. Τέλος, η οικονομική διαχείριση των ενεργών ΔΔ μοντελοποιείται με διεπίπεδο προγραμματισμό βασισμένο στο μοντέλο ηγεσίας του Stackelberg με έναν ηγέτη και πολλούς ακόλουθους, και επιλύεται ως πρόβλημα μαθηματικού προγραμματισμού με περιορισμούς ισορροπίας. Ο Διαχειριστής του ΔΔ (ηγέτης) οργανώνει μία τοπική αγορά ευελιξίας, στην οποία συμμετέχουν φορείς σωρευτικής εκπροσώπησης ευέλικτων φορτίων, ΑΠΕ και συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας, ως πάροχοι υπηρεσιών ευελιξίας (ακόλουθοι).