Published September 1, 2023 | Version v1
Publication Metadata-only

Bi-level stochastic energy trading model for technical virtual power plants considering various renewable energy sources, energy storage systems and electric vehicles

Creators

  • 1. Universidade do Porto
  • 2. Institute for Systems and Computer Engineering of Porto
  • 3. Universidade Portucalense
  • 4. Universidade Estadual Paulista (Unesp)
  • 5. Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores Investigação e Desenvolvimento
  • 6. University of Lisbon

Description

The ongoing transition of the energy system towards being low-carbon, digitized and distributed is accelerating. Distributed Energy Resources (DERs) are playing a major role in this transition. These DERs can be aggregated and controlled by Virtual Power Plants (VPPs) to participate in energy markets and make full use of the potential of DERs. Many existing VPP models solely focus on the financial impact of aggregating DERs and do not consider the technical limitations of the distribution system. This may result in technically unfeasible solutions to DERs operations. This paper presents an expanded VPP model, termed the Technical Virtual Power Plant (TVPP), which explicitly considers the technical constraints of the network to provide operating schedules that are both economically beneficial to the DERs and technically feasible. The TVPP model is formulated as a bi-level stochastic mixed-integer linear programming (MILP) optimization model. Two objective functions are used, the upper level focuses on minimizing the amount of power imported into the TVPP from the external grid, while the lower level is concerned with optimally scheduling a mixture of DERs to increase the profit of the TVPP operator. The model considers three TVPPs and allows for energy trading among the TVPPs. The model is applied to several case studies based on the IEEE 119-node test system. Results show improved DERs operating schedules, improved system reliability and an increase in demand response engagement. Finally, energy trading among the TVPP is shown to further reduce the costs of the TVPP and power imported from the upstream electrical network.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يتسارع التحول المستمر لنظام الطاقة نحو أن يكون منخفض الكربون ورقميًا وموزعًا. تلعب موارد الطاقة الموزعة دورًا رئيسيًا في هذا التحول. يمكن لمحطات الطاقة الافتراضية (VPPs) تجميع هذه المحطات والتحكم فيها للمشاركة في أسواق الطاقة والاستفادة الكاملة من إمكانات المحطات. تركز العديد من نماذج VPP الحالية فقط على التأثير المالي لتجميع DERs ولا تأخذ في الاعتبار القيود الفنية لنظام التوزيع. قد يؤدي ذلك إلى حلول غير مجدية تقنيًا لعمليات DERS. تقدم هذه الورقة نموذجًا موسعًا لمحطة الطاقة الافتراضية الفنية (TVPP)، والذي يأخذ في الاعتبار صراحة القيود الفنية للشبكة لتوفير جداول تشغيل مفيدة اقتصاديًا لـ DERs وممكنة تقنيًا. تم صياغة نموذج TVPP كنموذج تحسين البرمجة الخطية العشوائية المختلطة ثنائية المستوى (MILP). يتم استخدام وظيفتين موضوعيتين، يركز المستوى العلوي على تقليل كمية الطاقة المستوردة إلى TVPP من الشبكة الخارجية، بينما يهتم المستوى الأدنى بجدولة مزيج من DERs على النحو الأمثل لزيادة ربح مشغل TVPP. يأخذ النموذج في الاعتبار ثلاثة محطات توليد الطاقة الحرارية ويسمح بتداول الطاقة بين محطات توليد الطاقة الحرارية. يتم تطبيق النموذج على العديد من دراسات الحالة بناءً على نظام اختبار IEEE المكون من 119 عقدة. تُظهر النتائج تحسين جداول تشغيل DERs، وتحسين موثوقية النظام وزيادة في مشاركة الاستجابة للطلب. أخيرًا، يظهر أن تداول الطاقة بين محطة توليد الطاقة الحرارية يقلل بشكل أكبر من تكاليف محطة توليد الطاقة الحرارية والطاقة المستوردة من الشبكة الكهربائية الأولية.

Translated Description (French)

La transition en cours du système énergétique vers un système à faible émission de carbone, numérisé et distribué s'accélère. Les ressources énergétiques distribuées (RED) jouent un rôle majeur dans cette transition. Ces DER peuvent être agrégés et contrôlés par des centrales électriques virtuelles (VPP) pour participer aux marchés de l'énergie et exploiter pleinement le potentiel des DER. De nombreux modèles de VPP existants se concentrent uniquement sur l'impact financier de l'agrégation des DER et ne tiennent pas compte des limites techniques du système de distribution. Cela peut entraîner des solutions techniquement irréalisables aux opérations de DERS. Cet article présente un modèle élargi de VPP, appelé Technical Virtual Power Plant (TVPP), qui considère explicitement les contraintes techniques du réseau pour fournir des calendriers d'exploitation qui sont à la fois économiquement bénéfiques pour les DER et techniquement réalisables. Le modèle TVPP est formulé comme un modèle d'optimisation de programmation linéaire à deux niveaux stochastique à nombres entiers mixtes (MILP). Deux fonctions objectives sont utilisées, le niveau supérieur se concentre sur la minimisation de la quantité d'énergie importée dans le TVPP à partir du réseau externe, tandis que le niveau inférieur se préoccupe de planifier de manière optimale un mélange de DER pour augmenter le profit de l'opérateur du TVPP. Le modèle considère trois TVPP et permet l'échange d'énergie entre les TVPP. Le modèle est appliqué à plusieurs études de cas basées sur le système de test IEEE 119-nœuds. Les résultats montrent une amélioration des calendriers de fonctionnement des DER, une amélioration de la fiabilité du système et une augmentation de l'engagement de la réponse à la demande. Enfin, il est démontré que le commerce de l'énergie entre le TVPP réduit davantage les coûts du TVPP et de l'énergie importée du réseau électrique en amont.

Translated Description (Spanish)

La transición en curso del sistema energético hacia un sistema bajo en carbono, digitalizado y distribuido se está acelerando. Los recursos energéticos distribuidos (der) están desempeñando un papel importante en esta transición. Estos der pueden ser agregados y controlados por Centrales Eléctricas Virtuales (VPP) para participar en los mercados energéticos y aprovechar al máximo el potencial de los der. Muchos modelos de VPP existentes se centran únicamente en el impacto financiero de la agregación de der y no consideran las limitaciones técnicas del sistema de distribución. Esto puede resultar en soluciones técnicamente inviables para las operaciones der. Este documento presenta un modelo ampliado de VPP, denominado Central Técnica Virtual (TVPP), que considera explícitamente las limitaciones técnicas de la red para proporcionar horarios de operación que sean económicamente beneficiosos para los der y técnicamente factibles. El modelo TVPP se formula como un modelo de optimización de programación lineal estocástica de enteros mixtos (MILP) de dos niveles. Se utilizan dos funciones objetivo, el nivel superior se centra en minimizar la cantidad de energía importada al TVPP desde la red externa, mientras que el nivel inferior se ocupa de programar de manera óptima una mezcla de der para aumentar la ganancia del operador de TVPP. El modelo considera tres TVPP y permite el comercio de energía entre los TVPP. El modelo se aplica a varios estudios de casos basados en el sistema de prueba IEEE de 119 nodos. Los resultados muestran mejores horarios de operación de der, mayor confiabilidad del sistema y un aumento en el compromiso de respuesta a la demanda. Finalmente, se demuestra que el comercio de energía entre TVPP reduce aún más los costos de TVPP y la energía importada de la red eléctrica ascendente.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نموذج تداول الطاقة العشوائية ثنائي المستوى لمحطات الطاقة الافتراضية التقنية مع الأخذ في الاعتبار مختلف مصادر الطاقة المتجددة وأنظمة تخزين الطاقة والمركبات الكهربائية
Translated title (French)
Modèle d'échange d'énergie stochastique à deux niveaux pour les centrales électriques virtuelles techniques prenant en compte diverses sources d'énergie renouvelables, systèmes de stockage d'énergie et véhicules électriques
Translated title (Spanish)
Modelo de comercio de energía estocástico de dos niveles para centrales eléctricas virtuales técnicas que consideran diversas fuentes de energía renovables, sistemas de almacenamiento de energía y vehículos eléctricos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4379794417
DOI
10.1016/j.est.2023.107742

Is supplement to
https://openalex.org/W4320056793 (Other)
https://openalex.org/W3204051545 (Other)
https://openalex.org/W2981338881 (Other)
https://openalex.org/W2942888652 (Other)
https://openalex.org/W2546709070 (Other)
https://openalex.org/W2466565939 (Other)
https://openalex.org/W2462816660 (Other)
https://openalex.org/W2150748417 (Other)
https://openalex.org/W2042050584 (Other)
https://openalex.org/W2007208597 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W2485127034
  • https://openalex.org/W2547984216
  • https://openalex.org/W2799883312
  • https://openalex.org/W2801639032
  • https://openalex.org/W2890857255
  • https://openalex.org/W2903043946
  • https://openalex.org/W2911667489
  • https://openalex.org/W2970799834
  • https://openalex.org/W2999701499
  • https://openalex.org/W3000626617
  • https://openalex.org/W3010770639
  • https://openalex.org/W3014201377
  • https://openalex.org/W3017177165
  • https://openalex.org/W3025729908
  • https://openalex.org/W3034540893
  • https://openalex.org/W3036488093
  • https://openalex.org/W3042564935
  • https://openalex.org/W3112812968
  • https://openalex.org/W3151893986
  • https://openalex.org/W3159672738
  • https://openalex.org/W3204374592
  • https://openalex.org/W3204643375
  • https://openalex.org/W4206598774