Stochastic management framework of distribution network systems featuring large-scale variable renewable energy sources and flexibility options

The concerns surrounding climate change, energy supply security and the growing demand are forcing changes in the way distribution network systems are planned and operated, especially considering the need to accommodate large-scale integration of variable renewable energy sources (vRESs). An increased level of vRESs creates technical challenges in the system, bringing a huge concern for distribution system operators who are given the mandate to keep the integrity and stability of the system, as well as the quality of power delivered to end-users. Hence, existing electric energy systems need to go through an eminent transformation process so that current limitations are significantly alleviated or even avoided, leading to the so-called smart grids paradigm. For distribution networks, new and emerging flexibility options pertaining to the generation, demand and network sides need to be deployed for these systems to accommodate large quantities of variable energy sources, ensuring an optimal operation. Therefore, the management of different flexibility options needs to be carefully handled, minimizing the sideeffects such as increasing costs, worsening voltage profile and overall system performance. From this perspective, it is necessary to understand how a distribution network can be optimally operated when featuring large-scale vRESs. Because of the variability and uncertainty pertinent to these technologies, new methodologies and computational tools need to be developed to deal with the ensuing challenges. To this end, it is necessary to explore emerging and existing flexibility options that need to be deployed in distribution networks so that the uncertainty and variability of vRESs are effectively managed, leading to the real-time balancing of demand and supply. This thesis presents an extensive analysis of the main technologies that can provide flexibility to the electric energy systems. Their individual or collective contributions to the optimal operation of distribution systems featuring large-scale vRESs are thoroughly investigated. This is accomplished by taking into account the stochastic nature of intermittent power sources and other sources of uncertainty. In addition, this work encompasses a detailed operational analysis of distribution systems from the context of creating a sustainable energy future. The roles of different flexibility options are analyzed in such a way that a major percentage of load is met by variable RESs, while maintaining the reliability, stability and efficiency of the system. Therefore, new methodologies and computational tools are developed in a stochastic programming framework so as to model the inherent variability and uncertainty of wind and solar power generation. The developed models are of integer-mixed linear programming type, ensuring tractability and optimality.As mudanças climáticas, a crescente procura por energia e a segurança de abastecimento estão a modificar a operação e o planeamento das redes de distribuição, especialmente pela necessidade de integração em larga escala de fontes de energia renováveis. O aumento desses recursos energéticos sustentáveis gera enormes desafios a nível técnico no sistema, atendendo a que o operador do sistema de distribuição tem o dever de manter a integridade e a estabilidade da rede, bem como a qualidade de energia entregue aos consumidores. Portanto, os sistemas de energia elétrica existentes devem passar por um eminente processo de transformação para que as limitações atuais sejam devidamente atenuadas ou mesmo evitadas, esperando-se assim chegar ao paradigma das redes elétricas inteligentes. Para as redes de distribuição acomodarem fontes variáveis de energia renovável, novas e emergentes opções de flexibilidade, que dizem respeito à geração, carga e à própria rede, precisam de ser desenvolvidas e consideradas na operação ótima da rede de distribuição. Assim, a gestão das opções de flexibilidade deve ser cuidadosamente efetuada para minimizar os efeitos secundários como o aumento dos custos, agravamento do perfil de tensão e o desempenho geral do sistema. Desta perspetiva, é necessário entender como uma rede de distribuição pode operar de forma ótima quando se expõe a uma integração em larga escala de fontes variáveis de energia renovável. Devido à variabilidade e incerteza associadas a estas tecnologias, novas metodologias e ferramentas computacionais devem ser desenvolvidas para lidar com os desafios subsequentes. Desta forma, as opções de flexibilidade existentes e emergentes devem ser implantadas para gerir a incerteza e variabilidade das fontes de energia renovável, mantendo o necessário balanço entre carga e geração. Nesta tese é feita uma análise extensiva das principais tecnologias que podem providenciar flexibilidade aos sistemas de energia elétrica, e as suas contribuições para a operação ótima dos sistemas de distribuição, tendo em consideração a natureza estocástica dos recursos energéticos intermitentes e outras fontes de incerteza. Adicionalmente, este trabalho contém investigação detalhada sobre como o sistema pode ser otimamente gerido tendo em conta estas tecnologias de forma a que a uma maior percentagem de carga seja fornecida por fontes variáveis de energia renovável, mantendo a fiabilidade, estabilidade e eficiência do sistema. Por esse motivo, novas metodologias e ferramentas computacionais usando programação estocástica são desenvolvidas para modelizar a variabilidade e incerteza inerente à geração eólica e solar. A convergência para uma solução ótima é garantida usando programação linear inteira-mista para formular o problema

Aportaciones al dimensionamiento y gestión de energía de un tren de potencia eléctrico híbrido para vehículos industriales con ciclos de conducción repetitivos y agresivos

Currently, the interest for helping mitigate the emission of greenhouse gases caused by high fuel consumption in industrial vehicles has increased. In order to the reduction of fuel consumption in an industrial vehicle, it has been proposed to incorporate into the powertrain a system capable of storing and supplying electrical energy. Consequently, the design of a hybrid electric powertrain is required, based on the interconnection of the elements (topology), the sizing of the elements and/or the energy management strategy of the powertrain. This paper presents a methodology for the design of a hybrid electric vehicle for refuse collection, which presents a repetitive and aggressive drive cycle as a result of work activity. The proposed methodology consists in modeling the behavior of a hybrid electric powertrain, considering the electrical behavior of various energy accumulation elements (batteries and supercapacitors). An embedded system is used to perform the experimental characterization of a cell and a commercial supercapacitor, in order to approximate the behavior through an electric model. In accordance with a real drive cycle of a refuse collection vehicle, the energy demand for a hybrid electric refuse collection vehicle is determined. On the other hand, the fuel consumption is calculated from a hybrid electric powertrain that integrates an energy storage system or a hybrid energy storage system. A bio-inspired metaheuristic based on a stochastic population (particle swarm optimization and genetic algorithm) is developed, in order to determine an optimal solutions space. Subsequently, the optimal sizing of an energy storage system (batteries) and a hybrid energy storage system (batteries and supercapacitors) is performed, considering different mono-objective and multi-objective optimization problems. Based on the results of each optimization problem, a comparative analysis is carried out with an element of commercial accumulation. Considering a hybrid electric powertrain that integrates a hybrid energy storage system (batteries and supercapacitors), an energy management strategy based on fuzzy logic is developed. This includes the identification of the vehicle status from a real drive cycle. Finally, the validation of the energy management strategy is carried out through the model of a hybrid electric vehicle for refuse collection.Actualmente, se ha incrementado el interés por mitigar la emisión de gases de efecto invernadero que se produce por un elevado consumo de combustible en vehículos industriales. Con la intención de contribuir en la reducción del consumo de combustible de un vehículo industrial, se ha propuesto incorporar al tren de potencia un sistema capaz de almacenar y suministrar energía eléctrica. En consecuencia, surge la necesidad de realizar el diseño de un tren de potencia eléctrico híbrido, a partir de la interconexión de los elementos (topología), el dimensionamiento de los elementos y/o la estrategia de gestión de energía del tren de potencia. En el presente trabajo se presenta una metodología para realizar el diseño de un vehículo eléctrico híbrido de recolección de basura, que presenta un ciclo de conducción repetitivo y agresivo como resultado de la actividad laboral. La metodología propuesta consiste en modelar el comportamiento de un tren de potencia eléctrico híbrido, considerando el comportamiento eléctrico de diversos elementos de acumulación de energía híbrido (baterías y supercapacitores). Se emplea un sistema embebido para realizar la caracterización experimental de una celda y un supercapacitor comercial, con el propósito de aproximar el comportamiento a través de un modelo eléctrico. En función de un ciclo de conducción real de un vehículo de recolección de basura se determina la demanda de energía para un vehículo eléctrico híbrido de recolección de basura. Por otra parte, se calcula el consumo de combustible a partir de un tren de potencia eléctrico híbrido que integra un sistema de almacenamiento de energía o un sistema de almacenamiento de energía híbrido. Se desarrolla una metaheurística bio-inspirada basada en una población estocástica) para determinar un espacio de soluciones óptimas. Posteriormente, se realiza el dimensionamiento óptimo de un sistema de almacenamiento de energía (baterías) y un sistema de almacenamiento de energía híbrido (baterías y supercapacitores), considerando diferentes problemas de optimización mono-objetivo y multi-objetivo. Con base en los resultados de cada problema de optimización, se procede a realizar un análisis comparativo con un elemento de acumulación comercial. Considerando un tren de potencia eléctrico híbrido que integra un sistema de almacenamiento de energía híbrido (baterías y supercapacitores), se desarrolla una estrategia de gestión de energía basada en lógica difusa, que incluye la identificación del estado del vehículo a partir de un ciclo de conducción real. Finalmente, se realiza la validación de la estrategia de gestión de energía a través del modelo de un vehículo eléctrico híbrido de recolección de basura.Postprint (published version

Aportaciones al dimensionamiento y gestión de energía de un tren de potencia eléctrico híbrido para vehículos industriales con ciclos de conducción repetitivos y agresivos

Currently, the interest for helping mitigate the emission of greenhouse gases caused by high fuel consumption in industrial vehicles has increased. In order to the reduction of fuel consumption in an industrial vehicle, it has been proposed to incorporate into the powertrain a system capable of storing and supplying electrical energy. Consequently, the design of a hybrid electric powertrain is required, based on the interconnection of the elements (topology), the sizing of the elements and/or the energy management strategy of the powertrain. This paper presents a methodology for the design of a hybrid electric vehicle for refuse collection, which presents a repetitive and aggressive drive cycle as a result of work activity. The proposed methodology consists in modeling the behavior of a hybrid electric powertrain, considering the electrical behavior of various energy accumulation elements (batteries and supercapacitors). An embedded system is used to perform the experimental characterization of a cell and a commercial supercapacitor, in order to approximate the behavior through an electric model. In accordance with a real drive cycle of a refuse collection vehicle, the energy demand for a hybrid electric refuse collection vehicle is determined. On the other hand, the fuel consumption is calculated from a hybrid electric powertrain that integrates an energy storage system or a hybrid energy storage system. A bio-inspired metaheuristic based on a stochastic population (particle swarm optimization and genetic algorithm) is developed, in order to determine an optimal solutions space. Subsequently, the optimal sizing of an energy storage system (batteries) and a hybrid energy storage system (batteries and supercapacitors) is performed, considering different mono-objective and multi-objective optimization problems. Based on the results of each optimization problem, a comparative analysis is carried out with an element of commercial accumulation. Considering a hybrid electric powertrain that integrates a hybrid energy storage system (batteries and supercapacitors), an energy management strategy based on fuzzy logic is developed. This includes the identification of the vehicle status from a real drive cycle. Finally, the validation of the energy management strategy is carried out through the model of a hybrid electric vehicle for refuse collection.Actualmente, se ha incrementado el interés por mitigar la emisión de gases de efecto invernadero que se produce por un elevado consumo de combustible en vehículos industriales. Con la intención de contribuir en la reducción del consumo de combustible de un vehículo industrial, se ha propuesto incorporar al tren de potencia un sistema capaz de almacenar y suministrar energía eléctrica. En consecuencia, surge la necesidad de realizar el diseño de un tren de potencia eléctrico híbrido, a partir de la interconexión de los elementos (topología), el dimensionamiento de los elementos y/o la estrategia de gestión de energía del tren de potencia. En el presente trabajo se presenta una metodología para realizar el diseño de un vehículo eléctrico híbrido de recolección de basura, que presenta un ciclo de conducción repetitivo y agresivo como resultado de la actividad laboral. La metodología propuesta consiste en modelar el comportamiento de un tren de potencia eléctrico híbrido, considerando el comportamiento eléctrico de diversos elementos de acumulación de energía híbrido (baterías y supercapacitores). Se emplea un sistema embebido para realizar la caracterización experimental de una celda y un supercapacitor comercial, con el propósito de aproximar el comportamiento a través de un modelo eléctrico. En función de un ciclo de conducción real de un vehículo de recolección de basura se determina la demanda de energía para un vehículo eléctrico híbrido de recolección de basura. Por otra parte, se calcula el consumo de combustible a partir de un tren de potencia eléctrico híbrido que integra un sistema de almacenamiento de energía o un sistema de almacenamiento de energía híbrido. Se desarrolla una metaheurística bio-inspirada basada en una población estocástica) para determinar un espacio de soluciones óptimas. Posteriormente, se realiza el dimensionamiento óptimo de un sistema de almacenamiento de energía (baterías) y un sistema de almacenamiento de energía híbrido (baterías y supercapacitores), considerando diferentes problemas de optimización mono-objetivo y multi-objetivo. Con base en los resultados de cada problema de optimización, se procede a realizar un análisis comparativo con un elemento de acumulación comercial. Considerando un tren de potencia eléctrico híbrido que integra un sistema de almacenamiento de energía híbrido (baterías y supercapacitores), se desarrolla una estrategia de gestión de energía basada en lógica difusa, que incluye la identificación del estado del vehículo a partir de un ciclo de conducción real. Finalmente, se realiza la validación de la estrategia de gestión de energía a través del modelo de un vehículo eléctrico híbrido de recolección de basura