Modeling a cooperation environment for flexibility enhancement in smart multi-energy industrial systems

Abstract

Environmental aspects have been highlighted in architecting future energy systems where sustainable development plays a key role. Sustainable development in the energy sector has been defined as a potential solution for enhancing the energy system to meet the future energy requirements without interfering with the environment and energy provision. In this regard, studying the cross-impact of various energy vectors and releasing their inherent operational flexibility is main topic. Thecoordinationofvariousenergyvectorsundertheconceptofmulti-energysystem (MES)hasintroducednewsourcesofoperationalflexibilitytothesystemmanagers. MES considers both interactions among the energy carriers and the decision makers in an interdependent environment to increase the total efficiency of the system and reveal the hidden synergy among energy carriers. This thesis addresses a framework for modeling multi-energy players (MEP) that are coupled based on price signal in multi-energy system (MES) in a competitive environment. MEP is defined as an energy player who can consume or deliver more than one type of energy carriers. At first, the course of evolution for the energy system from today independent energy systems to a fully integrated MES is presented and the fractal structure is described for of MES architecture. Moreover, the operational behavior of plug-in electric vehicles’ parking lots and multi-energy demands’ external dependency are modeled in MES framework to enhance the operational flexibility of local energy systems (LES). In the fractal environment, there exist conflicts among MEPs’ decision making in a same layer and other layers. Realizing the inherent flexibility of MES is the main key for modeling the conflicts in this multi-layer structure. The conflict between two layers of players is modeled based on a bi-level approach. In this problem, the first level is the MEP level where the player maximizes its profit while satisfying LES energy exchange. The LES’s exchange energy price is the output of this level. In the lower level, the LESs schedule their energy balance, based on the upper level input price signal. The problem is transformed into a mathematical program with equilibrium constraint (MPEC) through duality theory. In the next step, high penetration of multi-energy players in the electricity market is modeled and their impacts on electricity market equilibrium are investigated. In such a model, MEP participates in the local energy and wholesale electricity markets simultaneously. MEP and the other players’ objectives in these two markets conflict with each other. Each of these conflicts is modeled based on bi-level programming. The bi-level problems are transformed into a single level mixed-integer linear problem by applying duality theory.Aspetos ambientais têm merecido destaque na conceção dos sistemas de energia do futuro, onde o desenvolvimento sustentável desempenha um papel fundamental. O desenvolvimento sustentável no sector da energia tem sido definido como uma potencial solução para a melhoria do sistema energético, como um todo, para atender às exigências energéticas do futuro, sem interferir com o ambiente ou com o fornecimento de energia. A este respeito, o tema principal desta tese corresponde ao estudo do impacte transversal e multidisciplinar de vários vetores energéticos (eletricidade, gás, etc.) na operacionalidade e flexibilidade do sistema. A coordenação de vários vetores energéticos sob o conceito de um sistema de multi-energia (MES) introduz novas fontes de flexibilidade operacional para os gestores do sistema. Um MES considera as interações entre os portadores de energia e os agentes de decisão num ambiente interdependente com vista a aumentar a eficiência global do sistema e a revelar as sinergias subjacentes entre esses portadores de energia. Esta tese propõe uma metodologia para modelar agentes multi-energia (MEP) que são aglomerados com base no sinal de preço no MES em ambiente competitivo. Um MEP pode usufruir ou disponibilizar um ou mais vetores energéticos. Numa etapa inicial, a evolução do sistema de energia tendo por base uma arquitetura independente, hoje em dia, para uma integração total ao nível do MES é estudada, e a estrutura proposta do tipo fractal é descrita. Posteriormente, o comportamento operacional associado a parques de estacionamento com estação de carregamento para veículos elétricos do tipo plug-in, bem como a dependência externa da demanda multi-energia, são modelados numa arquitetura tipo MES para incrementar a flexibilidade operacional dos sistemas de energia locais (LES). Nesse ambiente do tipo fractal, podem existir conflitos ao nível da tomada de decisão entre MEPs pertencentes a diferentes camadas. A flexibilidade inerente ao MES é o fator principal para modelar esses conflitos com base numa estrutura multicamada. O conflito entre duas camadas de agentes é modelado recorrendo a uma abordagem bi-nível. Neste problema, o primeiro nível corresponde ao nível MEP, onde cada agente visa maximizar o seu lucro satisfazendo os intercâmbios de energia ao nível do LES. O preço desses intercâmbios de energia ao nível do LES corresponde ao resultado final para esse nível. No nível mais baixo, os LESs otimizam o seu balanço energético, tendo por base o sinal do preço resultante do nível superior. O problema é transformado num problema de programação matemática com restrições de equilíbrio (MPEC) por meio da teoria da dualidade. Na próxima etapa, é modelada uma elevada penetração de MEPs no mercado da eletricidade, determinando o impacte no equilíbrio de mercado. Nesse modelo, um MEP pode participar nos mercados de energia a nível local e global, simultaneamente. Os potenciais conflitos entre um MEP e os outros agentes de mercado são também modelados recorrendo à programação bi-nível. Os problemas bi-nível são posteriormente transformados em problemas mono-nível com recurso à programação linear inteira-mista, aplicando também a teoria da dualidade.This thesis was supported by FEDER funds (European Union) through COMPETE and by Portuguese funds through FCT, under Projects FCOMP-01-0124-FEDER014887 (Ref. PTDC/EEA-EEL/110102/2009), FCOMP-01-0124-FEDER-020282 (Ref. PTDC/EEAEEL/118519/2010) and UID/CEC/50021/2013. Also, the research leading to these results has received funding from the EU 7th Framework Programme FP7/2007-2013 under grant agreement no. 309048