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Publicação
Reserve services provision by demand side resources in systems with high renewables penetration using stochastic optimization
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It is widely recognized that renewable energy sources are likely to represent a significant portion of the production mix in many power systems around the world, a trend expected to be increasingly followed in the coming years due to environmental and economic reasons. Among the different endogenous renewable sources that may be used in order to achieve reductions in the carbon footprint related to the electricity sector and increase the economic efficiency of the generation mix, wind power generation has been one of the most popular options. However, despite the potential benefits that arise from the integration of these resources in the power system, their large-scale integration leads to additional problems due to the fact that their production is highly volatile. As a result, apart from the typical sources of uncertainty that the System Operators have to face, such as system contingencies and intra-hour load deviations, through the deployment of sufficient levels of reserve generation, additional reserves must be kept in order to maintain the balance between the generation and the consumption. Furthermore, a series of other problems arise, such as efficiency loss because of ramping of conventional units, environmental costs because of increased emissions due to suboptimal unit commitment and dispatch and more costly system operation and maintenance. Recently, it has been recognized that apart from the generation side, several types of loads may be deployed in order to provide system services and especially, different types of reserves, through demand response. The contribution of demand side reserves to accommodate higher levels of wind power generation penetration is likely to be of substantial importance in the future and therefore, the integration of these resources in the system operations needs to be thoroughly studied. This thesis deals with the aspects of demand response as regards the integration of wind power generation in the power system. First, a mapping of the current status of demand response internationally is attempted, followed also by a discussion concerning the opportunities, the benefits and the barriers to the widespread adoption of demand side resources. Then, several joint energy and reserve market structures are developed which explicitly incorporate demand side resources that may contribute to energy and reserve services. Two-stage stochastic programming is employed in order to capture the uncertainty of wind power generation. Moreover, several aspects of demand response are considered such as the capability of providing contingency and load following reserves, the appropriate modeling of industrial consumer processes load and the load recovery effect. Finally, this thesis investigates the effect of demand side resources on the risk that is associated with the decisions of the System Operator through appropriate risk management techniques, proposing also a novel methodology of handling risk as an alternative to the commonly used technique.
As fontes de energias renováveis irão possivelmente representar uma parte significativa do mix de produção de muitos sistemas de energia, em todo o mundo, pelo que é esperado um aumento desta tendência nos próximos anos devido às questões ambientais e económicas. Entre as diferentes fontes renováveis endógenas, a produção eólica tem sido uma das opções mais apontadas com o intuito de, não só reduzir a pegada de carbono, oriunda do sector energético, mas também de contribuir para um aumento da eficiência económica do mix de geração. Embora a integração destes recursos possa apresentar vários potenciais benefícios para os sistemas de energia, a sua integração em larga escala poderá acarretar problemas adicionais, uma vez que esta produção é altamente volátil. Como resultado, para além das típicas fontes de incerteza que os Operadores de Sistemas enfrentam, recorrendo a níveis suficientes de geração de reserva, como por exemplo sistemas de contingência e variações de carga intra-horárias, reservas extras têm de ser mantidas com intuito de garantir o equilibro entre a geração e o consumo. Para além disso, surgem uma série de outros problemas como, por exemplo, a perda de eficiência devido ao ramping de unidades convencionais, custos ambientais, devido ao aumento de emissões resultantes da afetação e despacho de unidades subótimas, e um sistema mais dispendioso em temos de operação e manutenção. Para além da geração, tem-se vindo a reconhecer que vários tipos de carga podem ser implementadas com intuito de fornecer aos serviços do sistema, especialmente para os diferentes tipos de reservas, recorrendo da resposta à demanda. É expectável que a contribuição das reservas, por parte da demanda, para acomodar altos níveis de penetração de produção eólica, tenha uma importância substancial no futuro, sendo, por isso, necessário um estudo aprofundado da integração destes recursos na operação do sistema. Assim sendo, esta tese lida com aspetos relacionados com a resposta à demanda no que diz respeito à integração de produção eólica no sistema de energia elétrica. Em primeiro lugar, é apresentado o enquadramento do estado atual da resposta à demanda em termos internacionais, seguindo-se de uma discussão sobre as oportunidades, benefícios e barreiras de uma adoção alargada dos recursos da demanda. Seguidamente, várias combinações de energia e estruturas de mercado de reserva são desenvolvidas, incorporando explicitamente os recursos da resposta à demanda que poderão contribuir para serviços e reservas energéticas. Com intuito de contemplar a incerteza associada à geração eólica é aplicada a programação estocástica de duas etapas. Adicionalmente, vários aspetos são tidos em conta na resposta à demanda como, por exemplo, a capacidade de providenciar contingência e as reservas de seguimento de carga, a modelação apropriada da carga de processos de consumidores industriais e o efeito de recuperação de carga. Por último, esta tese investiga o efeito dos recursos da resposta à demanda no risco que é associado às decisões do operador de sistemas através das técnicas apropriadas de gestão de risco, propondo assim uma nova metodologia de lidar com o risco como alternativa às técnicas habitualmente usadas.
As fontes de energias renováveis irão possivelmente representar uma parte significativa do mix de produção de muitos sistemas de energia, em todo o mundo, pelo que é esperado um aumento desta tendência nos próximos anos devido às questões ambientais e económicas. Entre as diferentes fontes renováveis endógenas, a produção eólica tem sido uma das opções mais apontadas com o intuito de, não só reduzir a pegada de carbono, oriunda do sector energético, mas também de contribuir para um aumento da eficiência económica do mix de geração. Embora a integração destes recursos possa apresentar vários potenciais benefícios para os sistemas de energia, a sua integração em larga escala poderá acarretar problemas adicionais, uma vez que esta produção é altamente volátil. Como resultado, para além das típicas fontes de incerteza que os Operadores de Sistemas enfrentam, recorrendo a níveis suficientes de geração de reserva, como por exemplo sistemas de contingência e variações de carga intra-horárias, reservas extras têm de ser mantidas com intuito de garantir o equilibro entre a geração e o consumo. Para além disso, surgem uma série de outros problemas como, por exemplo, a perda de eficiência devido ao ramping de unidades convencionais, custos ambientais, devido ao aumento de emissões resultantes da afetação e despacho de unidades subótimas, e um sistema mais dispendioso em temos de operação e manutenção. Para além da geração, tem-se vindo a reconhecer que vários tipos de carga podem ser implementadas com intuito de fornecer aos serviços do sistema, especialmente para os diferentes tipos de reservas, recorrendo da resposta à demanda. É expectável que a contribuição das reservas, por parte da demanda, para acomodar altos níveis de penetração de produção eólica, tenha uma importância substancial no futuro, sendo, por isso, necessário um estudo aprofundado da integração destes recursos na operação do sistema. Assim sendo, esta tese lida com aspetos relacionados com a resposta à demanda no que diz respeito à integração de produção eólica no sistema de energia elétrica. Em primeiro lugar, é apresentado o enquadramento do estado atual da resposta à demanda em termos internacionais, seguindo-se de uma discussão sobre as oportunidades, benefícios e barreiras de uma adoção alargada dos recursos da demanda. Seguidamente, várias combinações de energia e estruturas de mercado de reserva são desenvolvidas, incorporando explicitamente os recursos da resposta à demanda que poderão contribuir para serviços e reservas energéticas. Com intuito de contemplar a incerteza associada à geração eólica é aplicada a programação estocástica de duas etapas. Adicionalmente, vários aspetos são tidos em conta na resposta à demanda como, por exemplo, a capacidade de providenciar contingência e as reservas de seguimento de carga, a modelação apropriada da carga de processos de consumidores industriais e o efeito de recuperação de carga. Por último, esta tese investiga o efeito dos recursos da resposta à demanda no risco que é associado às decisões do operador de sistemas através das técnicas apropriadas de gestão de risco, propondo assim uma nova metodologia de lidar com o risco como alternativa às técnicas habitualmente usadas.
Descrição
Palavras-chave
Sistemas de energia Energias renováveis - Produção eólica Energia eólica Produção eólica - Programação estocástica Produção eólica - Gestão de risco