Title Innovative models of flexible final customers in operation of smart distributed energy systems Title (english) Inovativni modeli fleksibilnih krajnjih kupaca pri pogonu naprednih elektroenergetskih distribucijskih sustava Author Mirna Gržanić Mentor Tomislav Capuder (mentor)Committee member Marko Delimar (predsjednik povjerenstva)Granter University of Zagreb Defense date and country 2022, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 621.3 - Electrical engineering Abstract The increasing share of renewable energy sources (RES) is one of the main goals in the transition towards a carbon-neutral power system. Due to their intermittent nature, RES require an additional level of flexibility to ensure stable and secure power system operation. In the past, the flexibility used to be provided from conventional power plants, such as coal power plants which are less flexible and open cycle gas turbine (OCGT) and natural gas-fired internal combustion engine (ICE) power
... More plants with a high level of flexibility characterized with short minimum uptime and minimum downtime, short start-up time and low start-up cost. However, the enlarged need for flexibility in green energy transitions opens the doors for providing system services from the end-user's side. The role of final customers has been under significant changes. From completely passive entities, final customers are becoming active network participants involved in the real time (RT) power system operation. With the recent price decrease of low carbon technology, more final customers tend to invest in photovoltaic (PV) systems, household battery energy storage (BES), electric vehicles (EV), and household energy management systems (HEMS). To fully exploit their potential, European directives highlight the importance of providing transparent and easy-to-understand pricing mechanisms together with pricing comparison tools in order to ensure fair and the most economic solutions to all final customers. As some final customers, such as households, are too small to independently trade their flexibility on the market, a new market entity called aggregator gathers their flexibility potential and trades with their services on the market. Final customer's flexible behaviour can be remunerated through direct incentives, electricity bill reduction or even a discount for investing in low carbon technology and fixed annual direct payments for flexible management of different household appliances. The thesis investigates the impact of diverse pricing mechanisms on the behaviour of final customers, their consumption profile, and electricity bill in different European countries considering not only energy prices, but also transmission and distribution network charges, tax, VAT, and the pricing policy related to RES installed at final customer's side. Flat prices, two-tariff pricing, and RT dynamic pricing for prosumers are compared resulting in more flexible behaviour and electricity bill reduction under dynamic prices. In general, the current pricing structure encourages final customers with installed RES to shift their flexible consumption in the periods of high production, instead of selling excess to the supplier. Furthermore, the thesis deals with different forms of aggregation resulting not only in financial benefits to all entities involved but also reducing the negative impact of the intermittent nature of RES. The first type of aggregation investigated in the thesis is a formation of an innovative balancing group (BG) composed of the aggregator of flexible prosumers and a wind power plant (WPP) participating in the day ahead (DA) energy market and balancing market. The focus is put on joint market participation which reduces prosumers' electricity cost and increases WPP profit due to decreased balancing cost arising from flexible behaviour of final prosumers which serve as a buffer between balancing market and the intermittent and variable WPP's production. The second type of aggregation in the thesis is focused on an energy community. The energy community will participate in the power system transition by allowing the participation of citizens in the clean energy transition in diverse legal forms, such as associations, cooperatives, partnerships, non-profit organizations, and small/medium enterprises. Community members investigated in the thesis are equipped with PV, flexible electric heating, flexible household appliances, and have an opportunity of smart EV charging. The community is operated by the community manager (CM) who is in control of flexible household devices through HEMS. The CM tackles the issue of the stochastic nature of PV and households' consumption by providing flexibility incentives to community members in order to reduce the deviation from preannounced DA schedule. The energy community participates on the market as a single entity and the cost of community members is calculated ex-post, after energy delivery which makes the optimization algorithm simple to solve. Prices for the internal energy exchange between community members are calculated based on three pricing mechanisms: Bill Sharing Method Net (BSMN), MidMarket Rate Net (MMRN), and Supply Demand Ratio Net (SDRN) taking into account the net load of each community member, DA energy prices and flexibility incentives. Participation in the energy community together with the price calculation developed in the thesis which is conducted in a two-stage process guarantee lower electricity cost to each community member compared to their individual contract with the supplier. Less Abstract (croatian) Ambiciozni ciljevi Europske unije teže smanjenju stakleničkih plinova za 55% do 2030. godine u usporedbi s emisijama iz devedestih godina prošlog stoljeća kako bi se smanjio globalni porast temperature na 1.5°C uz povećanje energetske učinkovitosti. Kako bi se to ostvarilo, potrebno je povećanje udjela obnovljivih izvora energije (OIE) što je jedan od glavnih ciljeva tranzicije prema niskougljičnom elektroenergetskom sustavu. Upravljanje elektroenergetskim sustavom s visokim udjelom OIE
... More je složenije i zahtjevnije od upravljanja tradicionalnim elektroenergetskim sustavom. Zbog svoje isprekidane prirode, OIE zahtijevaju dodatnu razinu fleksibilnosti kako bi se osigurao stabilan i siguran rad elektroenergetskog sustava. U prošlosti su fleksibilnost pružale konvencionalne elektrane, kao što su manje fleskibilne elektrane na ugljen te plinske turbine otvorenog ciklusa (OCGT) i elektrane s unutarnjim izgaranjem na prirodni plin (ICE) s visokom razinom fleksibilnosti koju karakterizira kratko minimalno vrijeme prije ponovnog gašenja i paljenja, kratko vrijeme pokretanja i niski troškovi pokretanja. Unatoč svim izazovima koji se javljaju u tranziciji prema niskougljičnom elektroenergetskom sustavu, operator sustava dužan je na sigurnan i efikasnan način planirati i upravljati sustavom. Povećana potreba za fleksibilnošću u zelenoj energetskoj tranziciji otvara vrata za pružanje pomoćnih usluga od strane krajnjih korisnika čija se uloga značajno mijenja. Od pasivnih entiteta, krajnji kupci postaju aktivni mrežni sudionici uključeni u rad elektroenergetskog sustava. S nedavnim smanjenjem cijena niskougljičnih tehnologija, sve više krajnjih kupaca ulaže u fotonaponske (PV) sustave, baterijske spremnike, električna vozila (EV) i sustave za upravljanje energijom u kućanstvu (HEMS). Kako bi krajnji kupci u potpunosti iskoristili svoj potencijal, europske direktive ističu njihovu važnost te ih stavljaju u centar niskougljične tranzicije. Posebno je istaknuto da se svim krajnjim kupcima moraju omogućiti poštena i ekonomična rješenja pružajući im na tranparetan i lako razumljiv način različite mogućnosti odabira cijena električne energije, zajedno s alatima za usporedbu cijena, koji će omogućiti brzu i prikladnu promjenu opskrbljivača. Krajnji kupci trebaju imati točne informacije o svojem obračunu koje se temelje na stvarnoj potrošnji električne energije što im omogućuje bolju kontrolu vlastite potrošnje i troška električne energije. Zbog premalih snaga krajnjih kupaca, novi tržišni subjekt agregator okuplja krajnje korisnike i njihovu fleksibilnost te sudjeluje na različitim tržištima. Kako bi se agregatorima omogućilo posrednost između tržišta i krajnjih kupaca te kako bi se osiguralo da krajnji kupac ostvaruje odgovarajuću korist od njihove aktivnosti, svaki krajnji kupac treba biti obaviješten o izabranom modelu koji sadržava transparentna i poštena pravila. Kako bi se na pošten način potaknulo upravljanje potrošnjom, usluge koje nude agregatori trebaju biti definirane na svim tržištima, uključujući tržišta električnom energijom, tržišta pomoćnih usluga i tržišta kapaciteta. Ugovor o agregiranju svaki krajnji kupac može sklopiti neovisno o svom opskrbljivaču. Fleksibilno ponašanje krajnjeg kupca može se nagraditi izravnim poticajima, smanjenjem računa za električnu energiju ili čak smanjenom investicijskom cijenu za brojne niskougljične tehnologije i fiksnim godišnjim izravnim plaćanjima za fleksibilno upravljanje kućanskim uređajima. Postoje dvije grupe odziva potrošnje na temelju kojih krajnji korisnici mogu pružiti fleksibilnost elektroenergetskom sustavu. Prva grupo obuhvaća cjenovno potaknute programe odziva potrošnje, dok druga grupa obuhvaća programe stimulirane različitim poticajima. U cjenovno potaknute programe spadaju različite opcije promijenjivih cijena električne energije: • Višetarifini sustavi - dvije ili više unaprijed određenih tarifa koje se izmijenjuju tijekom dana u unaprijed određenim fiksnim intervalima za vrijeme trajanja ugovora. Svaka tarifa pokriva dulji vremenski interval tijekom dana (npr. niže cijene tijekom noći i više cijene tijekom dana). Visoke cijene tijekom vršnog opterećenja - značajni porast cijena električne energije za vrijeme vršnog opterećenja tijekom nekoliko kritičnih dana u godini koji su unaprijed najavljeni. • Popusti tijekom vršnog opterećenja - popusti krajnjim korisnicima koji pristanu smanjiti svoju potrošnju za vrijeme vršnog opterećenja. • Postupno povećanje tarife ovisno o ukupnoj potrošnji - količina potrošene električne energije podijeljena je u više kategorija. Svaka kategorija odgovara određnoj cijeni koja raste s povećanjem potrošnje i prelaskom u iduću kategoriju. Ukupna mjesečna cijena jednaka je sumi umnoška cijene u pojedinoj kategoriji i količini potrošene električne energije u toj kategoriji. • Dinamičke cijene na satnoj razini - cijene određene dan-unaprijed koje variraju na satnoj razini te prate stanje na tržištu električnom energijom. Programi stimulirani poticajima mogu se podijeliti u četiri kategorije: • Direktno upravljanje potrošnjom - najčešće direktno upravljanje klimatizacijskim uređajima, grijanjem i bojlerima od strane operatora sustava. Operator sustava unaprijed odredi maksimalni broj aktivacija i vrijeme trajanja usluge. S obzirom na to da krajnji korisnici ugovorom pristanu na izravno upravljanje uređajima od strane operatora sustava, najčešće se ne šalje nikakva obavijest krajnjim potrošačima ili se pošalje neposredno prije aktivacije usluge. Krajnji potrošači dobivaju fiksni iznos naknade određene ugovorom te dodatnu nakandu ukoliko je operator sustava uslugu aktivirao. • Programi smanjenja potrošnje - programi u kojima se unaprijed najavi krajnjim korisnicima kada je potrebno smanjiti potrošnju (nekoliko minuta, sati ili čak dan unaprijed). Krajnji korisnik smanjuje svoju potrošnju automatiziranim načinom ili ručno, ovisno o uvjetima dogovorenim u ugovoru. • Programi prekida potrošnje - krajnji korisnici u ovom programu pristaju na djelomični ili potpuni prekid potrošnje za vrijeme vrlo visokih cijena električne energije ili u trenucima kada je ugrožena sigurnost elektroenergetskog sustava. • Tržišno orijentirani programi - obuhvaćaju agregiranje krajnjih korisnika od strane agregtora koji sudjeluje na tržištu pomoćnih usluga. Doktorska disertacija istražuje utjecaj različitih cijenovnih mehanizama na krajnje kupce u europskim zemljama, uzimajući u obzir ne samo cijene električne energije, već i naknade za prijenosnu i distribucijsku mrežu, različite vrste poreza i cjenovnu politiku vezanu uz OIE instalirane na strani krajnjeg kupca. Iako krajnji kupci imaju mogućnost odabira dinamičkih cijena koje reflektiraju tržišne cijene samo u osam zemalja u Europi, energetske politike ističu da države članice moraju omogućiti sklapanje ugovora s dinamičkim cijenama za krajnje kupaca s ugrađenim pametnim brojilima od strane barem jednog opskrbljivača. U disertaciji se uspoređuju troškovi krajnjih korisnika koji imaju mogućnost odabira jednotarifne cijene, dvotarifne cijene i dinamičke cijene pokazujući fleksibilnije ponašanje i smanjenje računa za električnu energiju kod dinamičkih cijena. Trenutna struktura cijena (niže prodajne cijene od kupovnih cijena) potiče krajnje kupce da preusmjere svoju fleksibilnu potrošnju u razdoblje s visokom proizvodnjom iz OIE, umjesto da višak prodaju opskrbljivaču. Nadalje, doktorska disertacija se bavi različitim oblicima agregacije koji rezultiraju ekonomskim povlasticama za sve uključene subjekte, ali i smanjenjem negativnog utjecaja varijabilne proizvodnje iz OIE. Prva vrsta agregiranja razmatrana u disertaciji je formiranje inovativnog oblika bilančne grupe koja se sastoji od agregatora krajnjih kupaca s vlastitiom proizvodnjom i vjetroelektrane (VE) koji sudjeluju na na tržištu dan unaprijed i na tržištu uravnoteženja. Problem je definiran kao stohastički dvorazinski model mješovitog cjelobrojnog programiranja baziran na Stackelbergovoj igri. U gornjoj razini promatra se maksimizacija profita agregatora i VE koji predstavljaju vođe u Stackelbergovoj igri određujući cijene aktivnim kupcima s vlastitiom proizvodnjom. Donja razina minimizira trošak električne energije aktivnih kupaca s vlastitom proizvodnjom koji na temelju cjenovnih signala iz gornje razine optimiziraju svoju potrošnju te sudjeluju u razmjeni energije s VE nastojeći smanjiti njena odstupanja od dan-unaprijed ugovorenog profila proizvodnje upravljajući vlastitim baterijskim spremnicima i fleksibilnim grijanjem. Promatrane su tri različite mogućnosti određivanja cijena krajnjim kupcima: unaprijed dugoročno definirane dvotarifne cijene, dinamičke promijenjive cijene koje određuje agregator optimizacijom te tržišne cijene uvećane za fiksnu naknadu od strane agregatora. Fokus je stavljen na uspredbu individualnog nastupa agregatora i VE na tržištu te njihovo zajedničko sudjelovanje kojim se smanjuju troškovi električne energije krajnjih kupaca i povećava profit VE zbog smanjenih troškova uravnoteženja koji proizlaze iz fleksibilnog ponašanja krajnjih kupaca koji služe kao tzv. amortizer između tržišta uravnoteženja i isprekidane proizvodnje iz VE. Rezultati su pokazali da dinamičke promjenjive cijene koje određuje agregator optimizacijom potiču krajnje korisnike na fleksibilno ponašanje kada je potrebno pomoći VE u smanjenju odstupanja. Tako određene cijene pogoduju i agregatoru i krajnjim korisnicima jer optimizacija uzima u obzir i cijene električne energije na tržištu te potiče krajnje korisnike na smanjenje potrošnje za vrijeme visokih cijena čime se direktno smanjuje trošak krajnjih korisnika i povećava profit agregatora. Model je dodatno istražio kako povećanje broja članova bilančne grupe koji imaju baterijski spremnik utječe na tijek novca unutar grupe. Povećanje broja krajnjih korisnika s baterijskim spremnikom u bilančnoj grupi ne umanjuje značajno trošak bilančne grupe. Međutim, kod tržišnih cijena uvećanih za fiksnu naknadu od strane agregatora povećanjem broja baterija u bilančnoj grupi značajno se smanjuje trošak krajnjih korisnika. Upravo zato što su te cijene više orijentirane na krajnjeg korisnika i smanjenje njegovog troška, ne potiču pružanje usluge fleksibilnosti VE. Druga vrsta agregacije usmjerena je na energetsku zajednicu. Energetska zajednica sudjelovat će u rekonstrukciji elektroenergetskog sustava sudjelovanjem građana u zelenoj tranziciji u različitim pravnim oblicima, poput udruga, zadruga, partnerstava, neprofitnih organizacija i malih / srednjih poduzeća. Metode izračuna troškova u energetskoj zajednici svrstane su u tri kategorije: modeli bazirani na teoriji igara, modeli bazirani na formiranju koalicije i modeli u kojima se cijene računaju ex-post izvan optimizacijskog algoritma. Modeli bazirani na teoriji igara su računski zahtjevni te njihova složenost raste eksponencijalno s brojem članova. Modeli bazirani na formiranju koalicije ponekad su ograničeni s ukupnim brojem članova u koalciji što spriječava formiranje velike koalicije koja omogućuje ostvarivanje najvećih ušteda što potencijalno dovodi do financijskog nezadovoljstva članova zajednice. Modeli u kojima se cijene računaju ex-post jednostavni su za implementaciju i garantiraju konvergenciju, međutim neki od njih ne rezultiraju nižim troškovima članovima zajednice. Model predstavljen u disertaciji riješio je taj problem uvođenjem dvostupanjskog računanja troška električne energije. Članovi zajednice u disertaciji opremljeni su solarnim panelima, fleksibilnim električnim grijanjem, baterijskim spremnikom, fleksibilnim kućanskim aparatima i imaju mogućnost pametnog punjenja EV. Zajednicom upravlja upravitelj zajednice (UZ) koji kontrolira fleksibilne uređaje u kućanstvu putem HEMS-a. UZ uzima u obzir stohastičku prirodu solarnih panela i potrošnje kućanstava pružajući poticaje za fleksibilnost članovima zajednice kako bi se smanjilo odstupanje od dan-unaprijed najavljenog rasporeda. Uštede ostavrene pametnim upravljanjem uređajima u kućanstvu dijele se među članovima energetske zajednice. UZ je entitet drugačiji od tradicionalnog opkrbljivača jer mu cilj nije ostvarivanje profita. To je zapravo platforma koja članovima zajednice pruža različite opcije pri monetiziranju fleksibilnosti, ali ih izlaže i riziku promjenjivosti cijena koji je inače tradicionalno snosio opskrbljivač. Kod tradicionalog ugovora s opskrbljivačem opisanog u disertaciji prema danskom modelu maloprodajnog tržišta (Danska je odabrana u disertaciji zbog javno dostupnih podataka o svim komponentama računa električne energije, međutim model se može primijeniti na bilo kojem maloprodajnom tržištu koje nudi mogućnost odabira dinamičkih cijena) krajnji korisnik snosi trošak električne energije, trošak uravnoteženja po svakom kupljenom ili prodanom kWh električne energije te mrežne trošakove za svaki kupljeni kWh električne energije. Energetska zajednica sudjeluje na tržištu kao jedna cjelina, a troškovi članova zajednice računaju se dan nakon isporuke energije, izvan optimizacijskog algoritma što ga čini jednostavnim za rješavanje. Energetska zajednica kao cjelina snosi trošak električne energije i mrežne trošakove za svaki kupljeni kWh električne energije. Za razliku od individualnog ugovora s opskrbljivačem gdje se plaća određeni trošak uravnoteženja za svaki kupljeni i prodani kWh električne energije, energetska zajednice snosi troškove uravnoteženja kada odstupa od dan-unaprijed predviđenog rasporeda. Smanjenje troškova uravnoteženja ostvareno je fleksibilnim poticajima. Cijene za unutarnju razmjenu energije između članova zajednice računaju se na temelju tri mehanizma određivanja cijena: neto metoda dijeljenja računa (eng. Bill Sharging Method Net), neto srednje-tržišna stopa (eng. Mid-Market Rate Net) i neto omjer opskrbe i potražnje (eng. Supply Demand Ratio Net), uzimajući u obzir neto potrošnju svakog člana zajednice (razliku između ukupne potrošnje i proizvodnje na satnoj razini), dan-unaprijed cijene energije i poticaje za fleksibilnost. Cijene se računaju u dvostupanjskom postupku koji jamči niže troškove električne energije svakom članu zajednice u odnosu na njihov pojedinačni ugovor s opskrbljivačem. U prvom stupnju računaju se cijene za kupnju i prodaju električne energije unutar energetske zajednice za svaki sat i za svaku metodu zasebno. Nakon toga slijedi izračun ukupnog dnevnog ili mjesečnog troška svakog člana zajednice uzimajući u obzir da li je član zajednice u pojedinom satu kupac ili prodavatelj električne energije. U drugom stupnju uspoređuje se trošak svakog člana zajednice s troškom pri individualnim ugovorom s opskrbljivačem. Ukoliko bilo koji član energetske zajednice ima viši trošak električne energije na kraju obračunskog razdoblja (dnevnog ili mjesečnog) radi se preraspodjela troškova. Preraspodjela troškova omogućuje da svaki član zajednice ima manji trošak unutar zajednice u usporedbi s individualnim ugovorom s opskrbljivačem. Izračuna se minimalna vrijednost potrebne preraspodjele troškova na temelju razlike u pojedinačnom trošku i trošku svakog korisnika energetske zajednice te se matematičkim modelom definiranom u disertaciji dolazi do novih troškova koji garantiraju niži trošak električne energije unutar zajednice za sve članove zajednice. Od tri navedene metode izračuna cijena električne energije unutar zajednice, neto srednje-tržišna stopa i neto omjer opskrbe i potražnje garantiraju niže cijene električne energije svakom članu zajednice. Zbog specifičnosti izračuna cijena u neto metodi dijeljenja računa, članovi zajednice s vlastitom proizvodnjom snose viši trošak električne energije jer se višak proizvodnje unutar zajednice dijeli besplatno, čime profitiraju isključivo krajnji kupci bez vlastite proizvodnje. Less Keywords
Aggregator
Energy Community
Demand Response
Dynamic pricing
Flexibility Incentives
Keywords (english)
Agregator
Energetska zajednica
Odziv potrošnje
Dinamicke cijene
Poticaji za fleksibilnost
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:168:834644 Promotion 2022 Study programme Title: Doctoral study programme "Electrical Engineering and Computing" Type of resource Text Extent xi, 148 str. : graf. prikazi ; 30 cm. + CD-ROM File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2022-09-12 11:00:13
