Optimization and management of distributed energy resources in power system

Abstract

Η αυξανόμενη διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) στο ηλεκτρικό σύστημα εισάγει πολλαπλές προκλήσεις ασφάλειας, αξιοπιστίας και αποδοτικότητας, κυρίως λόγω της ανεξέλεγκτης παραγωγής ΑΠΕ. Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας (ΣΑΕ) αποτελούν μια αναδυόμενη τεχνολογία που μπορεί να αντισταθμίσει τα αρνητικά αποτελέσματα της παραγωγής ΑΠΕ μέσω της βέλτιστης διαχείρισης της ενέργειας που παράγεται από τις ΑΠΕ. Ο κύριος στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής αφορά την επίλυση προβλημάτων βελτιστοποίησης που σχετίζονται με τη διαχείριση κατανεμημένων πηγών ενέργειας σε ηλεκτρικά συστήματα με υψηλή διείσδυση ΑΠΕ και ΣΑΕ. Τέτοια προβλήματα είναι δύσκολο να επιλυθούν καθώς απαιτούν γρήγορες και βέλτιστες ή υψηλής ποιότητας λύσεις και συχνά συνδέονται με ανακρίβειες μοντελοποίησης και αβεβαιότητα στην παραγωγή ενέργειας από ΑΠΕ. Σε αυτό το πλαίσιο, έχουν μελετηθεί τα ακόλουθα προβλήματα: (α) η βελτιστοποίηση γενικών προβλημάτων διαχείρισης ενέργειας σε συστήματα ηλεκτρικής ισχύος που περιλαμβάνουν μη-κυρτά μοντέλα των ΣΑΕ, (β) η διαχείριση ενέργειας από φωτοβολταϊκά και συστήματα μπαταριών σε ενεργά δίκτυα διανομής, (γ) η διαχείριση ενέργειας ενός συστήματος αποθήκευσης με σφόνδυλο για την μείωση των κορυφών φορτίου στα ηλεκτρικά δίκτυα και (δ) η βελτιστοποίηση της στρατηγικής υποβολής προσφορών από παραγωγούς ΑΠΕ στις αγορές ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιώντας συστήματα μπαταριών. Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων, έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι βελτιστοποίησης που δημιουργούν γρήγορες και υψηλής ποιότητας εφικτές λύσεις. Οι προσομοιώσεις και τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων μεθόδων επίλυσης των εξεταζόμενων προβλημάτων, διασφαλίζοντας την ασφαλή, αξιόπιστη και αποδοτική λειτουργία του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας.

The increasing penetration of renewable energy sources (RESs) into the power system introduces several safety, reliability and efficiency challenges, mainly due to the uncontrollability of RES. Energy storage systems (ESSs) constitute an emerging technology that can compensate the negative effects of intermittent RES generation by optimally managing the energy produced by RES. The main aim of this PhD thesis regards the solution of optimization problems associated with the management of distributed energy resources in power systems with high RES and ESS penetration. Such problems are challenging because they require fast and optimal or close-to-optimal solutions, and often involve modelling inaccuracies and RES uncertainty. In this context, four problems are considered: (i) optimization of general energy management problems in power systems involving non-convex ESS models, (ii) energy management of photovoltaic and battery storage systems in active distribution grids, (iii) energy management of a flywheel storage system for peak shaving applications, and (iv) stochastic optimization of the bidding strategy of RES producers in electricity markets considering battery degradation. To address these problems, custom optimization methods that yield high-quality and fast solutions have been developed. Simulation and/or experimental results validate the quality of the developed solution approaches for the considered problems in ensuring the safe, reliable, and efficient operation of the power system.