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Operational planning, modeling and control of virtual power plants with electric vehicles
Raab, Andreas Franz Alois
The paradigm shift towards a more sustainable energy supply with a less detrimental environmental impact successively changes the energy sector from a polycentric towards a more distributed energy system. The presence of distributed and renewable energy sources combined with the anticipated electrification of the transport sector results in changes along the entire value chain. This so-called transformation process is accompanied by energy market deregulation and restructuring of the power system. However, in order to increase energy efficiency and improve environmental protection, investigations are needed to establish reliable and secure infrastructures. This will be accompanied by the development of suitable computer aided software solutions for energy market participants and system operators. With further advances in information and communication technology and system automation, there are significant opportunities for realizing such a sustainable energy future. In this context, the thesis provides a comprehensive discussion of the potential application and deployment of Virtual Power Plants. Here, the aggregation concept serves as a vehicle for the implementation of coordinated and optimized control decisions by means of interconnected and interoperable solutions. The developed methodologies and functionalities are implemented through the service-oriented design and control scheme of the Virtual Power Plant for the determination of economic and technical feasible solutions in energy market and power system operations. Following the framework conditions of liberalized energy markets, an energy management algorithm for joint market operations is established which aims to integrate various distributed, renewable and mobile energy sources. A mixed integer linear programming formulation is proposed for solving the unit commitment and dispatch problem of the Virtual Power Plant operator in multi-period optimization processes. The presented methodology allows trading of various market products with variable time increments capable of solving real-time market transactions. By providing a uniform model architecture for scalable power plant portfolios, deterministic planning methods and comprehensive investigations are performed. In particular, electric vehicles are considered as additional sources of energy in joint market operations for the provision of service-oriented operations. Furthermore, multilateral transactions are reflected in the hierarchically structured optimization problem formulation for enhancing the allocation of power system services. The simulation results of the market-related interactions serve to identify the temporal and spatial effects in power system operations. Within this framework, a coordinated voltage control is proposed which combines both local droop controls with remote control algorithms. This allows the additional flexibilities provided by a comprehensive set of distributed, renewable and mobile energy sources to be exploited to mitigate time-varying voltage variations. In addition, the modeling of an active network management is carried out for the purpose of conducting control algorithms for electric vehicles charging in distribution systems. Appropriate evaluation functions and programming indicators are presented to determine the simulation results.
Der Paradigmenwechsel hin zu einer nachhaltigeren Stromversorgung mit möglichst geringen Umweltauswirkungen verändert den Energiesektor sukzessive von einem polyzentrischen zu einem dezentralistischen Energiesystem. Die Anwesenheit einer Vielzahl dezentraler und erneuerbarer Energieanlagen in Verbindung mit einer antizipierten Elektrifizierung des Verkehrssektors führt zu Veränderungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Dieser sogenannte Transformationsprozess ist gekennzeichnet durch eine Deregulierung des Energiemarktes und einer Umstrukturierung des Energieversorgungssystems. Um jedoch die Energieeffizienz zu steigern und Verbesserungen im Umweltschutz zu erreichen, sind Untersuchungen zum Aufbau zuverlässiger und sicherer Infrastrukturen erforderlich. Dies geht einher mit der Entwicklung geeigneter computergestützter Softwarelösungen für Energiemarktteilnehmer und Systembetreiber. Darüber hinaus ergeben sich mit weiteren Fortschritten in der Informations- und Kommunikationstechnologie und Systemautomatisierung erhebliche Chancen für eine nachhaltige Gestaltung einer solchen zukünftigen Energieversorgung. In diesem Zusammenhang erörtert die Arbeit in einer ausführlichen Diskussion Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten von virtuellen Kraftwerken. Hier dient das Aggregationskonzept als Instrument für die Umsetzung koordinierter und optimierter Kontrollentscheidungen durch die Bereitstellung interkonnektiver und interoperabler Lösungsansätze. Die entwickelten Methoden und Funktionalitäten werden in einem service-orientierten Design und Regelschema des virtuellen Kraftwerks eingebunden, um damit umsetzbare ökonomische und technische Lösungen für den Energiemarkt und das Energieversorgungssystem zu determinieren. Die Analysen zur Entwicklung ergänzender Implementierungsmethoden basieren auf numerischen Simulationen zur Ermittlung ökonomisch und technisch umsetzbarer Lösungen für die Teilnahme an den Energiemärkten sowie im operativen Netzbetrieb. Unter Einhaltung der Rahmenbedingungen liberalisierter Energiemärkte wird ein Energie-Management-Algorithmus für integrierte Marktoperationen vorgestellt, mit dem Ziel verschiedenartige verteilte, erneuerbare und mobile Energieanlagen berücksichtigen zu können. Hierfür wird eine gemischt-ganzzahlige lineare Programmierformulierung vorgestellt, um die Kraftwerkseinsatzplanung des Virtuellen Kraftwerksbetreibers in einem Mehrperiodenoptimierungsprozess lösen zu können. Die entwickelte Methodik erlaubt den Handel von verschiedenen Marktprodukten mit variabler zeitlicher Auflösung bis hin zur Ausführung von Echtzeit-Markttransaktionen.
Durch die Bereitstellung einer einheitlichen Modellarchitektur für skalierbare Kraft-werks-Portfolios werden deterministische Planungsmethoden und umfassende Untersuchungen durchgeführt. Dabei werden besonders Elektrofahrzeuge als zusätzliche Energiequellen in gemeinsamen Marktoperationen für die Bereitstellung von serviceorientierten Operationen berücksichtigt. Darüber hinaus werden multilaterale Transaktionen für die Allokation von Systemdienstleistungen in eine hierarchisch strukturierte Formulierung des Optimierungsproblems einbezogen. Die Simulationsergebnisse der marktorientierten Interaktionen dienen zur Identifikation der zeitlichen als auch räumlichen Effekte im Netzbetrieb. In diesem Rahmen wird eine koordinierte Spannungsregelung vorgeschlagen, welche sowohl lokale als auch statische Proportionalregler mit Fernsteuerungsalgorithmen miteinander kombiniert. Dies ermöglicht die Nutzung zusätzlicher Flexibilitäten, die durch eine Vielzahl verteilter, erneuerbarer und mobiler Energieanlagen zur Verfügung gestellt werden, um zeitveränderliche Spannungsschwankungen abzuschwächen. Ergänzend wird ein aktives Netzmanagement modelliert, welches es unter anderem ermöglicht, Steuerungsalgorithmen für das Lademanagement von Elektrofahrzeugen in Verteilnetzen zu testen. Zur Bestimmung der Simulationsergebnisse werden entsprechende Auswertungsfunktionen und Programmierindikatoren vorgestellt.
