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
