Dynamic Incentives for Optimal Control of Competitive Power Systems

This work presents a real-time dynamic pricing framework for future electricity markets. Deduced by first-principles analysis of physical, economic, and communication constraints within the power system, the proposed feedback control mechanism ensures both closed-loop system stability and economic efficiency at any given time. The resulting price signals are able to incentivize competitive market participants to eliminate spatio-temporal shortages in power supply quickly and purposively

Symmetry in Renewable Energy and Power Systems

This book includes original research papers related to renewable energy and power systems in which theoretical or practical issues of symmetry are considered. The book includes contributions on voltage stability analysis in DC networks, optimal dispatch of islanded microgrid systems, reactive power compensation, direct power compensation, optimal location and sizing of photovoltaic sources in DC networks, layout of parabolic trough solar collectors, topologic analysis of high-voltage transmission grids, geometric algebra and power systems, filter design for harmonic current compensation. The contributions included in this book describe the state of the art in this field and shed light on the possibilities that the study of symmetry has in power grids and renewable energy systems

Modélisation et contrôle de systèmes électriques de puissance avec propriétés de stabilité

To deal with nonlinear, large scale, multidomain, systems, as power systems are, we have witnessed in the last few years an increasing interest in energy–based modeling, analysis and controller design techniques. Energy is one of the fundamental concepts in science and engineering practice, where it is common to view dynamical systems as energy-transformation devices. This perspective is particularly useful in studying complex nonlinear systems by decomposing them into simpler subsystems which, upon interconnection, add up their energies to determine the full systems behavior. This is obviously the most natural and intuitive language to represent power systems. In particular, the use of port–Hamiltonian (pH) systems has been already proven highly successful in many applications, namely for mechanical, electrical and electromechanical systems. The port-Hamiltonian systems paradigm theremore provides a solid foundation, which suggests new ways to look at power systems analysis and control problems.Based on this framework, this thesis is structured in three main steps.1 - Modelling of a generalized class of electric power systems, based on graph theory and port-Hamiltonian representation of the individual components.2 - Modelling, analysis and control of multiterminal hvdc transmission systems. With the intention to bridge the gap between theory and applications, one of the main concerns is to establish connections between existing engineering solutions, usually derived via ad hoc considerations, and the solutions stemming from theoretical analysis.3 - Additional contributions of the author in other fields of electric power systems, including traditional ac power systems an microgrids.Pour traiter les systèmes non linéaires, à grande échelle, multi-domaine tels que les systèmes électriques de puissance, nous avons remarqué dans les dernières années un intérêt croissant pour les techniques de modélisation, analyse et contrôle basées sur la notion d'énergie. L'énergie est en fait un concept fondamental en science et en ingénierie, où typiquement les systèmes dynamiques sont regardés comme des dispositifs de transformation d'énergie. Cette perspective est particulièrement utile pour étudier des systèmes non linéaires assez complexes, qui peuvent être décomposés en sous-systèmes plus simples, caractérisés au niveau énergétique, et qui, à travers leurs interconnexions, déterminent le comportement global du système tout entier. Il représente bien évidemment le langage le plus naturel et intuitif pour représenter les systèmes électriques de puissance. En particulier, l'utilisation de systèmes Hamiltoniens à Ports a eu un impact très fort dans différentes applications, plus précisément dans le cas de systèmes mécaniques, électriques et électromécaniques. Dans ce contexte alors, l'approche Hamiltonien à Ports représentent sans doute une base solide qui montre une nouvelle fac{c}on d'aborder les problèmes d'analyse et contrôle de systèmes électriques de puissance. Basée sur cette approche, la thèse est structurée en trois étapes fondamentales:1 - Modélisation d'une classe très générale de systèmes électriques de puissance, basée sur la théorie des graphes et la formulation en Systèmes Hamiltoniens à Ports des composantes.2 - Modélisation, analyse et commande de systèmes de transmission de courant continu haute tension. Avec l'intention de construire un pont entre la théorie et les éventuelles applications, un des objectifs fondamentaux consiste à établir des relations évidentes entre les solutions adoptées dans la pratique et les solutions obtenues à travers une analyse mathématique précise.3 - Travaux apparentés de l'auteur, dans différents domaines des systèmes électriques de puissance: systèmes ac conventionnels et micro réseaux

Dynamic Incentives for Optimal Control of Competitive Power Systems

Technologisch herausfordernde Transformationsprozesse wie die Energiewende können durch passende Anreizsysteme entscheidend beschleunigt werden. Ziel solcher Anreize ist es hierbei, ein Umfeld idealerweise so zu schaffen, dass das Zusammenspiel aller aus Sicht der beteiligten Wettbewerber individuell optimalen Einzelhandlungen auch global optimal im Sinne eines übergeordneten Großziels ist. Die vorliegende Dissertation schafft einen regelungstechnischen Zugang zur Frage optimaler Anreizsysteme für heutige und zukünftige Stromnetze im Zieldreieck aus Systemstabilität, ökonomischer Effizienz und Netzdienlichkeit. Entscheidende Neuheit des entwickelten Ansatzes ist die Einführung zeitlich wie örtlich differenzierter Echtzeit-Preissignale, die sich aus der Lösung statischer und dynamischer Optimierungsprobleme ergeben. Der Miteinbezug lokal verfügbarer Messinformationen, die konsequente Mitmodellierung des unterlagerten physikalischen Netzes inklusive resistiver Verluste und die durchgängig zeitkontinuierliche Formulierung aller Teilsysteme ebnen den Weg von einer reinen Anreiz-Steuerung hin zu einer echten Anreiz-Regelung. Besonderes Augenmerk der Arbeit liegt in einer durch das allgemeine Unbundling-Gebot bedingten rigorosen Trennung zwischen Markt- und Netzakteuren. Nach umfangreicher Analyse des hierbei entstehenden geschlossenen Regelkreises erfolgt die beispielhafte Anwendung der Regelungsarchitektur für den Aufbau eines neuartigen Echtzeit-Engpassmanagementsystems. Weitere praktische Vorteile des entwickelten Ansatzes im Vergleich zu bestehenden Konzepten werden anhand zweier Fallstudien deutlich. Die port-basierte Systemmodellierung, der Verzicht auf zentralisierte Regeleingriffe und nicht zuletzt die Möglichkeit zur automatischen, dezentralen Selbstregulation aller Preise über das Gesamtnetz hinweg stellen schließlich die problemlose Erweiterbarkeit um zusätzliche optionale Anreizkomponenten sicher

Dynamic Incentives for Optimal Control of Competitive Power Systems

This work presents a real-time dynamic pricing framework for future electricity markets. Deduced by first-principles analysis of physical, economic, and communication constraints within the power system, the proposed feedback control mechanism ensures both closed-loop system stability and economic efficiency at any given time. The resulting price signals are able to incentivize competitive market participants to eliminate spatio-temporal shortages in power supply quickly and purposively