Algorithm development for the integrated management of distributed energy resources in a virtual power plant scenario

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaAs crescentes necessidades energéticas e preocupações ambientais, associadas à diminuição dos custos das tecnologias permitiram acelerar o processo de desenvolvimento e integração de pequenas unidades geradoras, muitas vezes de fonte primária renovável e produção intermitente. Este tipo de geração, apesar do seu potencial contributo para uma operação mais eficiente dos Sistemas de Energia Elétrica (SEE), algumas preocupações, quer relativamente à capacidade de assegurar a continuidade e estabilidade do fornecimento de energia, quer relativamente à qualidade do abastecimento. Para além disso, a proliferação de uma grande quantidade de unidades geradoras de pequena capacidade coloca questões quanto à gestão e controlo dos SEE. Por outro lado, digitalização da rede elétrica, com a possibilidade de comunicação bidirecional entre a rede e o consumidor permite que mesmo recursos do lado da procura possam ser considerados na gestão global do SEE. É neste contexto que surge o conceito de VPP, definida como um conjunto de geradores distribuídos (DGs) despacháveis e não despacháveis, de elementos de armazenamento de energia e de cargas controláveis acompanhado de tecnologias de informação e comunicação que permite gerir todos estes recursos distribuídos como se fosse um recurso único (por exemplo, uma central), planeando, monitorizando a operação e coordenando os fluxos de energia nos seus componentes, habitualmente com objectivos de minimizar os custos de geração, minimizar a produção de gases de efeito de estufa; e/ou maximizar os lucros/receitas.A presente dissertação foi desenvolvida com o propósito de criar um algoritmo em ferramenta Matlab®, capaz de executar a gestão integrada de Recursos Energéticos Distribuídos (DER) num ambiente VPP com o objetivo de maximizar lucro através da sua participação no mercado diário. Neste trabalho a definição de VPP e os problemas socioeconómicos, tecnológicos, e de regulamentação que esta enfrenta, bem como os possíveis DERs a agregar num ambiente VPP, são analisados de forma sucinta e objetiva. Alguns exemplos práticos, em desenvolvimento ou de investigação científica, no contexto de VPP, são descritos, dando especial enfâse à gestão integrada de DERs. É desenvolvido um algoritmo genético para a gestão integrada de DER e analisados os resultados de estudos de caso.Assim, este trabalho permite concluir que o conceito de VPP é uma forma inovadora e eficaz de efetuar a gestão dos diferentes DERs visando a maximização de lucro no mercado diário, mas que poderá ter outras funções, como por exemplo a prestação de serviços de sistema. Para tal, é necessário ter um conhecimento rigoroso dos recursos energéticos a integrar numa VPP, bem como dos sistemas de gestão elétrica e algoritmos a utilizar para a otimização da gestão de recursos. A presente dissertação foi desenvolvida no âmbito da Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores, lecionada no Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores da Faculdade de Ciências e Tecnologias da Universidade de Coimbra.The increasing energy needs and environmental concerns associated with lower technology costs have made it possible to accelerate the process of developing and integrating small generating units, often from renewable primary sources and intermittent production. This type of generation, despite its potential contribution to a more efficient operation of the Electric Power Systems, has some concerns, both regarding the capacity to ensure the continuity and stability of the energy supply and the quality of supply. In addition, the proliferation of a large number of small capacity generating units raises concerns about the management and control of the Electric Power Systems. On the other hand, network scanning, with the possibility of bidirectional communication between the network and the consumer, allows even demand-side resources to be considered in the overall management of Electric Power System. It is in this context that the concept of VPP arises, defined as a set of dispatchable and non-dispatchable distributed generators, energy storage elements and controllable loads accompanied by information and communication technologies that allows to manage all these distributed resources as if it were a single resource, planning, monitoring the operation and coordinating the energy flows in its components, usually with the aim of minimizing generation costs, minimizing the production of greenhouse gases; and/or maximize profits/revenues.The present dissertation was developed with the purpose of creating an algorithm in Matlab®, capable of performing integrated Distributed Energy Resources (DER) management in a VPP environment with the objective of maximizing profit through its participation in the daily market. In this work, the definition of VPP and the socioeconomic, technological, and regulatory problems that it faces, as well as the possible DERs to be aggregated in a VPP environment, are analyzed in a succinct and objective way. Some practical examples, under development or scientific research, in the context of VPP, are described, with special emphasis on the integrated management of DERs. A genetic algorithm is developed for the integrated management of DERs and the results of case studies are analyzed.This study allows to conclude that the concept of VPP is an innovative and effective way of managing the different DERs not only in order to maximize profit in the day-ahead market. To do this, it is necessary to have a thorough knowledge of the energy resources to be integrated in a VPP, as well as the electrical management systems and algorithms to be used for the optimization of resource management. The present dissertation was developed within the scope of the Master Dissertation Integrated in Electrical and Computer Engineering, taught in the Department of Electrical and Computer Engineering of the Faculty of Sciences and Technologies of the University of Coimbra