Συμβολή στην παροχή υπηρεσιών ευελιξίας από διεσπαρμένους ενεργειακούς πόρους

Abstract

The increasing penetration of renewable energy sources and the gradual decommissioning of conventional thermal units are transforming the operation of power systems. The need for flexibility is becoming increasingly important due to the stochastic nature of renewable generation and the increasing demand driven by the electrification of transport and heating, while a significant share of the available flexibility potential is now located in distribution networks through distributed energy resources. This dissertation investigates how this flexibility can be reliably quantified and leveraged to support the secure and efficient operation of power systems. Overall, the work develops a comprehensive and coherent framework for the definition, estimation, and utilization of flexibility from distributed energy resources, focusing on the coordination of transmission and distribution system operators, the estimation of available flexibility under uncertainty, and the technoeconomic evaluation of its value in the Greek balancing market. In the first part of the dissertation, the concept of flexibility is defined, and its importance for modern power systems across different voltage levels is highlighted. The main categories of flexibility sources and their technical characteristics are presented, as well as their capability to provide upward and downward flexibility in both active and reactive power. Furthermore, various coordination models between transmission and distribution system operators for the provision of ancillary services are examined. Through a comparative analysis, the advantages and limitations of each model are assessed with respect to economic efficiency, communication requirements, and applicability within the current regulatory framework. The second part focuses on estimating the aggregated flexibility of distribution networks at the interconnection point with the transmission system. A bottom-up approach is adopted, and an optimization methodology is proposed that directly computes the maximum possible provision of flexibility. The process is based on successive optimization runs along selected search directions in the active-reactive power (P-Q) domain, with the objective of identifying the boundary points of the flexibility curve. These points are then connected to form a coherent representation of the flexibility curve. The resulting curve is expressed as a convex polygon, that can be integrated into existing optimization tools used by Transmission System Operators as a set of linear constraints. The proposed methodology incorporates iterative sampling strategies that select search directions based on the information obtained in previous steps, achieving improved computational efficiency. Additionally, uncertainty is addressed through scenarios that account for the spatial and temporal correlations of renewable generation, while the temporal constraints of flexible units, such as batteries, are modeled in a multi-period optimization framework, enabling the estimation of both expected and worst-case flexibility curves. In addition, a statistical approach based on Kernel Density Estimation is proposed to estimate the probability distribution of the estimated flexibility, allowing for the extraction of flexibility values with a specific confidence interval. In the third part, a techno-economic assessment is carried out for the Greek power system, aiming to evaluate the operational and economic benefits of integrating distribution level flexibility into the balancing market. The analysis is based on real data for 2023, which is incorporated into the unit commitment and economic dispatch model of the day-ahead Integrated Scheduling Process. Using data from the Hellenic Energy Exchange, the study evaluates the contribution of low and medium voltage loads to reducing balancing costs and enhancing system reliability.

Η αυξανόμενη διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και η σταδιακή απόσυρση συμβατικών θερμικών μονάδων μεταβάλλουν ριζικά τον τρόπο λειτουργίας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Η ανάγκη για ευελιξία εντείνεται λόγω της στοχαστικής παραγωγής και της αυξανόμενης ζήτησης που προκαλεί ο εξηλεκτρισμός μεταφορών και θέρμανσης, ενώ σημαντικό μέρος του διαθέσιμου δυναμικού ευελιξίας εντοπίζεται πλέον στα δίκτυα διανομής μέσω διεσπαρμένων ενεργειακών πόρων. Η παρούσα διατριβή εξετάζει πώς η ευελιξία αυτή μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με αξιοπιστία και να αξιοποιηθεί για την υποστήριξη της ασφαλούς και οικονομικά αποδοτικής λειτουργίας του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Συνολικά, διαμορφώνεται ένα ολοκληρωμένο και συνεκτικό πλαίσιο για τον ορισμό, την εκτίμηση και την αξιοποίηση της ευελιξίας των διεσπαρμένων ενεργειακών πόρων, εστιάζοντας στη συνεργασία διαχειριστών μεταφοράς και διανομής, στην ακριβή εκτίμηση της διαθέσιμης ευελιξίας υπό αβεβαιότητα και στην τεχνοοικονομική αποτίμηση της αξίας της στην ελληνική αγορά εξισορρόπησης. Στο πρώτο μέρος της διατριβής ορίζεται η έννοια της ευελιξίας και αναδεικνύεται η σημασία της για τα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας στα διάφορα επίπεδα τάσης. Παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες πηγών ευελιξίας και τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους, καθώς και η ικανότητά τους να παρέχουν ανοδική και καθοδική ευελιξία σε ενεργό και άεργο ισχύ. Επιπλέον, εξετάζονται μοντέλα συνεργασίας διαφορετικά μοντέλα συνεργασίας μεταξύ διαχειριστών συστήματος μεταφοράς και διανομής για την παροχή επικουρικών υπηρεσιών. Μέσα από τη συγκριτική ανάλυση αποτιμώνται τα πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί κάθε μοντέλου ως προς την οικονομική αποδοτικότητα, τις απαιτήσεις επικοινωνίας και τη δυνατότητα εφαρμογής τους με βάση το ισχύον ρυθμιστικό πλαίσιο. Το δεύτερο μέρος της διατριβής εστιάζει στην εκτίμηση της συνολικής ευελιξίας του δικτύου διανομής στο σημείο διασύνδεσης με το σύστημα μεταφοράς. Υιοθετείται μια bottom-up προσέγγιση και προτείνεται μια μεθοδολογία βελτιστοποίησης, η οποία υπολογίζει απευθείας τη μέγιστη δυνατή παροχή ευελιξίας. Η διαδικασία βασίζεται σε διαδοχικές επιλύσεις κατά μήκος επιλεγμένων κατευθύνσεων στο επίπεδο ενεργού-άεργου ισχύος (P-Q), με στόχο τον προσδιορισμό των οριακών σημείων της καμπύλης ευελιξίας. Τα οριακά σημεία ενώνονται ώστε να προκύψει μια συνεκτική αναπαράσταση του συνόλου ευελιξίας. Η τελική αποτύπωση εκφράζεται ως ένα κυρτό πολύγωνο, το οποίο δύναται να ενσωματωθεί στα υφιστάμενα εργαλεία βελτιστοποίησης των Διαχειριστών Συστήματος Μεταφοράς ως ένα σύνολο γραμμικών περιορισμών. Στην προτεινόμενη μεθοδολογία εισάγονται επαναληπτικές στρατηγικές δειγματοληψίας που επιλέγουν τις επόμενες κατευθύνσεις με βάση την πληροφορία που έχει ήδη αποκτηθεί στα προηγούμενα βήματα, επιτυγχάνοντας αυξημένη υπολογιστική απόδοση. Παράλληλα, η αβεβαιότητα ενσωματώνεται με σενάρια που διατηρούν τις χωρικές και χρονικές συσχετίσεις των ανανεώσιμων πηγών ενώ οι χρονικοί περιορισμοί ευέλικτων μονάδων, όπως οι μπαταρίες, μοντελοποιούνται σε ένα μοντέλο βελτιστοποίησης πολλαπλών περιόδων, επιτρέποντας την εκτίμηση τόσο της αναμενόμενης όσο και της δυσμενέστερης λύσης για τις καμπύλες ευελιξίας επόμενης ημέρας. Επιπλέον, προτείνεται μια στατιστική προσέγγιση εκτίμησης της κατανομής πιθανότητας της ευελιξίας με χρήση της μεθόδου Kernel Density Estimation, από την οποία μπορούν να προκύψουν τιμές με προκαθορισμένο επίπεδο εμπιστοσύνης. Στο τρίτο μέρος πραγματοποιείται μια τεχνοοικονομική αξιολόγηση για το ελληνικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, με στόχο την αποτίμηση του λειτουργικού και οικονομικού οφέλους από την ένταξη της ευελιξίας του δικτύου διανομής στην αγορά εξισορρόπησης. Η ανάλυση βασίζεται σε πραγματικά δεδομένα του 2023, τα οποία ενσωματώνονται στο μοντέλο βέλτιστης ένταξης και οικονομικής κατανομής της προ-ημερήσιας Διαδικασίας Ενοποιημένου Προγραμματισμού. Αξιοποιώντας δεδομένα του Ελληνικού Χρηματιστηρίου Ενέργειας, εξετάζεται η συμβολή φορτίων χαμηλής και μέσης τάσης στη μείωση του κόστους εξισορρόπησης και στην ενίσχυση της αξιοπιστίας του συστήματος.