Next generation energy markets and applications

Abstract

The transition from the conventional to the smart operation of the grid has emerged a lot of opportunities for improving the efficiency and the safety in the power grid. The power grid is in stable state only when all its components (power plants, Renewable Energy Sources (RES), consumers (residential, commercial, industrial) transmission and distribution lines, transformers, phasor measurement units, regulators) are properly configured. The last decades, researchers have focused on improving the efficiency of the power grid using Demand Response (DR) programs including the consumers in the operation of the power grid and more specifically in the operation of the energy market giving to them in that way an active role. Additionally, the integration of the RES can further increase the energy savings by reducing the need of the energy storage. However, the impact of the stochasticity at the renewable energygeneration side has to be considered. In this dissertation, applications based onenergy market models that focusing on i) energy savings by shifting the demand onoff-peak hours from on peak hours, ii) adjusting appropriate energy tariffs at eachconsumer, iii) RES energy savings by selling its energy in lower prices when it isneeded, iv) integration of RES to cover the energy need in the agricultural area, andv) partitioning methodologies for improving the operation of the distribution gridin terms of energy savings are presented. Specifically, our ultimate goal is to designand implement advanced energy systems simulation and validation models, able tointegrate more and more the consumers and the RES in the operation of the powergrid. These models are integrated into simulation engines. In the presented applicationsin this dissertation, a new power distribution system simulation and analysistool, the GridLAB-D, game theory models, fuzzy logic theory, clustering algorithmsand DR programs are utilized.Due to the liberalization of electricity market, the vertical integrated, the monopolisticmarkets are replaced by several components with different responsibilities.The power producers are independent utility companies, either conventional orRES, that produce and sell power in specific prices in the deregulated energy markets.The consumers are the buyers in the market, which may be residential, commercialor industrial. The market operator has to follow the rules of transportingthe power on time to the consumers. The energy cannot be stored in large scale andthere is excess amount of energy production that does not contribute to anything tothe network.So, the market operator tries to sell as more energy as it is possible. In this context,the different types of electricity markets are studied and electricity market modelsintroducing competition in those markets through the active participation of bothconsumers and producers in a bid-based, security-constrained electricity market areproposed. In particular, first, the different types of electricity markets by focusingin the market’s characteristics that Hogan (1996) proposes are introduced. The developmentof the new electricity market models addresses the problem of the highenergy consumption during the on-peak hours for both residential and agriculturalload. The policy for the solution of this problem considers various features such asthe priority at the operation of specific appliances and the willingness of the consumerto shift his energy consumption.The DR programs have vital role for the steady state operation of the power grid.Their primary goal is to smooth the energy consumption by offering better prices tothe consumers or by providing them with incentives to reduce the consumption atspecific time intervals during the day. Many researchers have aimed to Demand-sideManagement (DSM) techniques paying more attention to the consumers’ side.For the steady state, reliable and efficient operation of both transmission anddistribution networks various techniques can be considered. Moreover, an anomalyor disruption in the operation of the electricity network could be mitigated throughadvances in robust decision making mechanisms. Those techniques aim to efficientreaction of the electricity network under various types of disturbances. For instance,a huge disturbance in electricity network could be handled by partitioning it, andsubsequently targeting at isolating the problem to prevent diffusion in the wholegrid. Further, the delivery of electricity has to be non-stop, so that the isolation ofthe disturbance, leaded by partitioning methodologies, could be conducted in anefficient way.

Η μετάβαση από τη παραδοσιακή στην έξυπνη λειτουργία του δικτύου έχει αναδεύσει πολλές ευκαιρίες για τη βελτίωση της απόδοσης και της ασφάλειας του ηλεκτρικού δικτύου. Το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας βρίσκεται σε σταθερή κατάσταση μόνο όταν όλες οι συνιστώσες που το απαρτίζουν (σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, γεννήτριες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ), καταναλωτές (οικιακοί, εμπορικοί, βιομηχανικοί), σταθμοί μετασχηματιστών, μονάδες μέτρησης φάσης, ρυθμιστές) βρίσκονται σε ισορροπία. Τις τελευταίες δεκαετίες, οι ερευνητές μέσα από ένα μεγάλο αριθμό δημοσιεύσεων επικεντρώθηκαν στη βελτίωση της αποδοτικότητας του ηλεκτρικού δικτύου με τη χρήση τεχνικών απόκρισης ζήτησης, με την άμεση συμμετοχή των καταναλωτών στη λειτουργία του ηλεκτρικού δικτύου και πιο συγκεκριμένα στην λειτουργία της αγοράς ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο οι καταναλωτές έχουν ενεργό ρόλο στην διαμόρφωση της τιμής της αγοράς. Επιπλέον, η ενσωμάτωση των ΑΠΕ μπορεί να αυξήσει περαιτέρω την εξοικονόμηση ενέργειας αυξάνοντας έτσι την ανάγκη αποθήκευσης ενέργειας. Ωστόσο, πρέπει να ληφθεί υπόψη ο αντίκτυπος της στοχαστικότητας στην πλευρά της παραγωγής της ενέργειας. Στην παρούσα διατριβή, παρουσιάζουμε μερικές εφαρμογές που βασίζονται σε μοντέλα της αγοράς που εστιάζουν στην 1) εξοικονόμηση ενέργειας μεταβάλλοντας τη ζήτηση εκτός ωρών αιχμής από τις ώρες αιχμής, 2) προσαρμογή κατάλληλων τιμολογίων ενέργειας σε κάθε καταναλωτή, 3) πώληση ενέργειας σε χαμηλότερες τιμές, 4) ενσωμάτωση των ΑΠΕ στον δίκτυο για την κάλυψη των αναγκών σε ενέργεια στην αγροτική περιοχή, και 5) μεθοδολογίες διαχωρισμού του δικτύου για τη βελτίωση της λειτουργίας του δικτύου διανομής όσον αφορά την εξοικονόμηση ενέργειας. Συγκεκριμένα, ο απώτερος στόχος μας είναι να σχεδιάσουμε και να εφαρμόσουμε μοντέλα προσομοίωσης και επαλήθευσης προηγμένων ενεργειακών συστημάτων, ικανά να ενσωματώσουν περισσότερο τους καταναλωτές και τις ΑΠΕ στην λειτουργία του ηλεκτρικού δικτύου. Στις εφαρμογές που παρουσιάζονται και αναλύονται στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιείται το GridLAB-D , ένα νέο εργαλείο προσομοίωσης και ανάλυσης του ηλεκτρικού δικτύου στο επίπεδο της διανομής, μοντέλα θεωρίας παιγνίων, η θεωρία ασαφούς λογικής, τεχνικές ομαδοποίησης των καταναλωτών και τεχνικές απόκρισης της ζήτησης. Λόγω της ελευθέρωσης της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, η συμβατική αγορά και οι μονοπωλιακές αγορές αντικαθίστανται από διάφορες συνιστώσες με διαφορετικές αρμοδιότητες. Αυτές οι συνιστώσες είναι οι παραγωγοί ενέργειας, οι καταναλωτές και ο διαχειριστής της αγοράς. Οι παραγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας είναι ανεξάρτητες επιχειρήσεις, είτε συμβατικές είτε ΑΠΕ, που παράγουν και πωλούν ενέργεια σε συγκεκριμένες τιμές. Οι καταναλωτές είναι οι πελάτες, οι οποίοι μπορεί να είναι οικιακοί, εμπορικοί ή βιομηχανικοί. Ο διαχειριστής της αγοράς είναι υπεύθυνος για την ομαλή λειτουργία της αγοράς στοχεύοντας στην διατήρηση της ισορροπίας μεταξύ της ζήτησης και της προσφοράς. viii Η ενέργεια δεν μπορεί να αποθηκευτεί σε μεγάλη κλίμακα. Έτσι, ο διαχειριστής της αγοράς προσπαθεί να πουλήσει όσο περισσότερη ενέργεια είναι δυνατόν. Σε αυτό το πλαίσιο, μελετάμε τους διάφορους τύπους αγορών ηλεκτρικής ενέργειας και προτείνουμε μοντέλα για την αγορά της ηλεκτρικής ενέργειας που εισάγουν ανταγωνισμό μέσω της ενεργούς συμμετοχής τόσο των καταναλωτών όσο και των παραγωγών. Συγκεκριμένα, πρώτα, εισάγουμε διάφορους τύπους αγορών ηλεκτρικής ενέργειας επικεντρώνοντας στα χαρακτηριστικά της αγοράς που ακολουθείται από τις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής. Η ανάπτυξη των νέων μοντέλων της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας αντιμετωπίζει το πρόβλημα της υψηλής κατανάλωσης ενέργειας κατά τη διάρκεια των ωρών αιχμής τόσο για την οικιακή όσο και για την γεωργική ζώνη. Η πολιτική επίλυσης αυτού του προβλήματος εξετάζει διάφορα χαρακτηριστικά όπως η προτεραιότητα στη λειτουργία συγκεκριμένων συσκευών και η προθυμία του καταναλωτή να μετατοπίσει την κατανάλωση ενέργειας σε διαφορετικές στιγμές μέσα σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Οι τεχνικές απόκρισης ζήτησης διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην ασφαλή και σταθερή λειτουργία του ηλεκτρικού δικτύου. Πρωταρχικός στόχος τους είναι να εξομαλύνουν την κατανάλωση ενέργειας προσφέροντας καλύτερες τιμές στους καταναλωτές ή παρέχοντάς τους κίνητρα για να μειώσουν την κατανάλωση σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα κατά τη διάρκεια της ημέρας. Πολλοί ερευνητές έχουν ως στόχο τις τεχνικές διαχείρισης της ζήτησης που δίνουν μεγαλύτερη έμφαση στην πλευρά των καταναλωτών. Για σταθερή, αξιόπιστη και αποδοτική λειτουργία τόσο των δικτύων μεταφοράς όσο και των δικτύων διανομής, μπορούν να ληφθούν υπόψη διάφορες τεχνικές. Επιπλέον, μια ανωμαλία ή διακοπή της λειτουργίας του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας θα μπορούσε να μετριαστεί με την εφαρμογή διάφορων μηχανισμών λήψης αποφάσεων. Οι τεχνικές αυτές στοχεύουν στην αποτελεσματική αντίδραση του ηλεκτρικού δικτύου υπό διάφορες μορφές διαταραχών. Για παράδειγμα, μια τεράστια διαταραχή στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί με την απομόνωση του προβλήματος για την αποτροπή της διάχυσης του σε ολόκληρο το δίκτυο. Περαιτέρω, η διανομή ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να είναι συνεχής, έτσι ώστε η απομόνωση τυχόν προβλημάτων μπορεί να αποτραπεί με μεθόδους ομαδοποίησης.