Smart and Sustainable Insular Electricity Grids Under Large-Scale Renewable Integration

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Sustainable distribution network planning considering multi-energy systems and plug-in electric vehicles parking lots

Publication . Neyestani, Nilufar; Catalão, João Paulo da Silva; Matias, João Carlos de Oliveira

Entre todos os recursos associados à evolução das redes elétricas para o conceito de smart grid, os sistemas de multi-energia e os veículos eléctricos do tipo plug-in (PEV) são dois dos principais tópicos de investigação hoje em dia. Embora estes recursos possam acarretar uma maior incerteza para o sistema de energia, as suas capacidades de demanda/armazenamento flexível de energia podem melhorar a operacionalidade do sistema como um todo. Quando o conceito de sistemas de multi-energia e os parques de estacionamento com estações de carregamento para os PEVs são combinados no sistema de distribuição, a demanda pode variar significativamente. Sendo a demanda de energia uma importante informação no processo de planeamento, é essencial estimar de precisa essa demanda. Deste modo, três níveis padrão de carga podem ser extraídos tendo em conta a substituição da procura entre carriers de energia, a demanda associada ao carregamento dos PEVs, e presença de parques de estacionamento com estações de carregamento no sistema. A presença de PEVs num sistema multi-energia obriga a outros requisitos (por exemplo, um sistema de alimentação) que devem ser fornecidos pelo sistema, incluindo as estações de carregamento. A componente elétrica dos PEVs dificulta a tarefa ao operador do sistema na tentativa de encontrar a melhor solução para fornecer os serviços necessários e utilizar o potencial dos PEVs num sistema multi-energia. Contudo, o comportamento sociotécnico dos utilizadores de PEVs torna difícil ao operador do sistema a potencial gestão das fontes de energia associada às baterias. Desta forma, este estudo visa providenciar uma solução para os novos problemas que irão ocorrer no planeamento do sistema. Nesta tese, vários aspetos da integração de PEVs num sistema multi-energia são estudados. Primeiro, um programa de resposta à demanda é proposto para o sistema multi-energia com tecnologias do lado da procura que possibilitem alternar entre fornecedores de serviços. Em seguida, é realizado um estudo abrangente sobre as questões relativas à modelação dos PEVs no sistema, incluindo a modelação das incertezas, as preferências dos proprietários dos veículos, o nível de carregamento dos PEV e a sua interação com a rede. Posteriormente é proposta a melhor estratégia para a participação no mercado de energia e reserva. A alocação na rede e os possíveis efeitos subjacentes são também estudados nesta tese, incluindo o modelo dos PEVs e dos parques de estacionamento com estações de carregamento nesse sistema de multi-energia.

2016-10Doctoral thesis

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Metodologia de Controlo Preditivo para Otimização Energética de Equipamentos Domésticos no Sector Residencial

Publication . Oliveira, David José Santos; Catalão, João Paulo da Silva; Pouresmaeil, Edris

Esta dissertação tem como objetivo principal implementar a técnica de controlo preditivo em algumas cargas residenciais. Pretende-se que a técnica de controlo preditivo seja implementada nas cargas residenciais, para que se possa conseguir um melhor aproveitamento da energia, e uma consequente redução da conta da eletricidade. Uma vez que o sector residencial tem um grande impacto percentual ao nível do consumo energético mundial, e uma redução de energia consumida neste sector é algo necessário, para reduzir os gases com efeitos de estufa que advêm da produção de eletricidade. Para tal efeito, foram então feitas simulações com a duração de 24 horas, em cargas residenciais como o ar condicionado, o termoacumulador e o frigorífico. Cada carga é modelada em tempo discreto, e para tal foram sempre utilizados parâmetros reais, com o objetivo de aproximar os resultados o mais próximo possível da realidade. Assim, foi possível aplicar a técnica de controlo preditivo em algumas cargas como o ar condicionado. Outras cargas como a máquina de lavar roupa, foram simuladas para serem observados os seus efeitos ao nível de consumo e eficiência energética quando juntos com outros equipamentos. Durante a aplicação do controlo preditivo, este foi estudado de tal forma que foi possível aprofundar os conhecimentos sobre ele e assim, explorar funções adicionais que levaram à obtenção de resultados melhorados acima do que era previsto inicialmente. Foi ainda desenvolvido um programa para prever cenários de consumo ótimo, em função das cargas utilizadas nas habitações. Os resultados foram todos obtidos a partir do software Matlab/Simulink onde foi utilizada a toolbox do controlo preditivo (MPC). Todos os resultados obtidos foram bastante satisfatórios, tendo em conta o objetivo inicial de reduzir a energia consumida e consequentemente reduzir o custo da eletricidade.

2015-6-3Master thesis

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Coordenação entre Armazenamento de Energia, Energia Hídrica Reversível e Energia Eólica nos Mercados de Eletricidade

Publication . Tavares, Tiago André Martins; Catalão, João Paulo da Silva; López, Agustín Alejandro Sánchez de La Nieta

Os mercados de eletricidade têm vindo a evoluir devido à globalização e ao incremento da competitividade nas últimas décadas, o que levou a sua restruturação. Um exemplo claro é a interligação entre vários países utilizando assim o mesmo operador de mercado, como por exemplo o mercado elétrico Português e o mercado elétrico Espanhol através do “Mercado Ibérico de Eletricidade” (MIBEL). A grande capacidade de energia renovável instalada têm motivado os produtores de energia a melhorar a gestão da sua produção no mercado de eletricidade. Com esse aumento foram também levantadas questões operacionais importantes ao nível do mercado. Um dos desafios dos próximos anos é a contínua integração das renováveis. Um ponto de vista interessante é a combinação entre as energias renováveis com elevado grau de incerteza (eólica e fotovoltaica) e os sistemas de armazenamento de energia. Nesta dissertação, foram desenvolvidos e estudados cinco modelos. Os principais modelos são para cada uma das seguintes tecnologias renováveis, a energia eólica, o sistema de armazenamento genérico e a hídrica reversível. Depois disso o modelo eólico é combinado com o sistema de armazenamento de energia genérico e com a unidade hídrica reversível. Todos os modelos são formulados através de programação linear inteira mista estocástica, com o objetivo otimizar a licitação ao mercado de eletricidade. Para fim, as conclusões mais relevantes são descritas e apresentadas.

2015-7-3Master thesis

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Decision-Making Under Uncertainty for Market Bidding Strategies of Wind and Photovoltaic Technologies

Publication . Martins, Renata Filipa Morais; Catalão, João Paulo da Silva; López, Agustín Alejandro Sánchez de La Nieta

Electrical energy sector has been changing over the past years due to economic and environmental causes. The climate changes over the last decades have led to the Kyoto Protocol agreement in order to address these environmental concerns. The appointed solution which is proposed as an answer to these concerns is the production of electrical energy through renewable energy sources (RES). RES not only contribute to these environmental goals, but also are an opportunity to reduce the economic challenges that countries face due to fossil fuel dependence. However, it is important to address the challenges that come from adopting RES as a means of energy production. Several RES such as wind and solar production, which are strongly dependent on weather conditions, could have a negative impact on market structures. The production from these types of sources can introduce significant uncertainty to electricity markets, which could further hinder their use. If the investments on RES production units such as wind and solar are to be successful, decision-making models could help the investors to be confident regarding the investment, increasing the promotion of the use of these technologies. In this dissertation, two bidding strategies in the day-ahead market are presented. The proposed strategies maximize the profits from offering the wind and photovoltaic production in the dayahead market, improving the production management.

2015-7-3Master thesis

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Optimal behavior of a PEV parking lot in renewable-based power systems

Publication . Gil, Fábio Alexandre da Silva; Catalão, João Paulo da Silva; Shafie-Khah, Miadreza

There have been a lot of developments in terms of Plug-in Electric Vehicles (PEVs) regarding many different subjects, and with some variations between authors. On this basis, it is intended to sum up a lot of contents being approached, and help understanding them. Followed by the development and analysis of a model in order to better understand the functionality of these new developments. First a state of the art is presented where the new development are presented, these will include management of the PEV’s, uncontrolled or controlled (i.e. aggregated) and their capability of using V2G and G2V technologies are analyzed. Afterwards, electricity markets are approached where real world applications are shown and different market types are categorized in order to a better understanding of the subject. The interaction of the PEVs with some renewable energy resources (e.g. solar, wind and biomass) is presented. To finalize, models of PEVs are categorized and multiple types of modules, the related variables, applied methods, and the considered parameters are presented. For a case analysis, a model that includes a parking lot of PEVs will be studied, which includes renewable energy resources, wind and solar. The objective is to analyze the impact of these on the market participation of the parking lot and also on the distribution grid. These analyses will be made on size variations, grid placement and also constraint variations of the model.

2015-7-3Master thesis

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