Ancillary services market clearing simulation: a comparison between deterministic and heuristic methods

Electricity market players operating in a liberalized environment requires access to an adequate decision support tool, allowing them to consider all the business opportunities and take strategic decisions. Ancillary services represent a good negotiation opportunity that must be considered by market players. For this, decision support tool must include ancillary market simulation. This paper proposes two different methods (Linear Programming and Genetic Algorithm approaches) for ancillary services dispatch. The methodologies are implemented in MASCEM, a multi-agent based electricity market simulator. A test case based on California Independent System Operator (CAISO) data concerning the dispatch of Regulation Down, Regulation Up, Spinning Reserve and Non-Spinning Reserve services is included in this paper.

A probabilistic methodology for distributed generation location in isolated electrical service area

Distributed generation unlike centralized electrical generation aims to generate electrical energy on small scale as near as possible to load centers, interchanging electric power with the network. This work presents a probabilistic methodology conceived to assist the electric system planning engineers in the selection of the distributed generation location, taking into account the hourly load changes or the daily load cycle. The hourly load centers, for each of the different hourly load scenarios, are calculated deterministically. These location points, properly weighted according to their load magnitude, are used to calculate the best fit probability distribution. This distribution is used to determine the maximum likelihood perimeter of the area where each source distributed generation point should preferably be located by the planning engineers. This takes into account, for example, the availability and the cost of the land lots, which are factors of special relevance in urban areas, as well as several obstacles important for the final selection of the candidates of the distributed generation points. The proposed methodology has been applied to a real case, assuming three different bivariate probability distributions: the Gaussian distribution, a bivariate version of Freund’s exponential distribution and the Weibull probability distribution. The methodology algorithm has been programmed in MATLAB. Results are presented and discussed for the application of the methodology to a realistic case and demonstrate the ability of the proposed methodology for efficiently handling the determination of the best location of the distributed generation and their corresponding distribution networks.

A long-term risk management tool for electricity markets using swarm intelligence

This paper addresses the optimal involvement in derivatives electricity markets of a power producer to hedge against the pool price volatility. To achieve this aim, a swarm intelligence meta-heuristic optimization technique for long-term risk management tool is proposed. This tool investigates the long-term opportunities for risk hedging available for electric power producers through the use of contracts with physical (spot and forward contracts) and financial (options contracts) settlement. The producer risk preference is formulated as a utility function (U) expressing the trade-off between the expectation and the variance of the return. Variance of return and the expectation are based on a forecasted scenario interval determined by a long-term price range forecasting model. This model also makes use of particle swarm optimization (PSO) to find the best parameters allow to achieve better forecasting results. On the other hand, the price estimation depends on load forecasting. This work also presents a regressive long-term load forecast model that make use of PSO to find the best parameters as well as in price estimation. The PSO technique performance has been evaluated by comparison with a Genetic Algorithm (GA) based approach. A case study is presented and the results are discussed taking into account the real price and load historical data from mainland Spanish electricity market demonstrating the effectiveness of the methodology handling this type of problems. Finally, conclusions are dully drawn.

Resolução do problema do escalonamento da produção de energia eléctrica usando programação lógica por restrições

A operação dos Mercados de Energia Eléctrica passa, actualmente, por uma profunda reestruturação, com o principal foco nas transacções do sistema de transmissão entre os diferentes agentes. Tendo isso em conta, o serviço de transmissão neste novo esquema de funcionamento do Mercado de Energia Eléctrica deve ser provido de máxima eficiência económica, atendendo sempre às restrições de segurança do sistema. Com esta reorganização do sector eléctrico da última década surgiu também a necessidade de rever os modelos tradicionais de optimização económica do Sistema Eléctrico de Energia, como por exemplo o despacho e prédespacho (unit commitment). A reestruturação e liberalização dos mercados de energia eléctrica trouxeram novas restrições a alguns dos problemas tradicionais associados aos Sistemas Eléctricos de Energia. Um desses problemas é o Escalonamento da Produção de Energia Eléctrica, que no contexto actual, implica quase sempre negociação entre os diferentes agentes do mercado e consequentemente reescalonamento. A maioria dos métodos usados para a resolução do problema não permitem reformular o prédespacho, algo para que a Programação Lógica por Restrições é extremamente adequada. O trabalho desenvolvido nesta dissertação visa criar uma aplicação computacional com base na Programação Lógica por Restrições, através da plataforma ECLiPSe, para resolver o problema do Escalonamento da Produção de Energia Eléctrica dos grupos térmicos, demonstrando assim a versatilidade e flexibilidade deste tipo de programação aplicada a problema combinatoriais deste género.

Energy resource management in smart grids considering an Intensive use of electric vehicles

The introduction of electricity markets and integration of Distributed Generation (DG) have been influencing the power system’s structure change. Recently, the smart grid concept has been introduced, to guarantee a more efficient operation of the power system using the advantages of this new paradigm. Basically, a smart grid is a structure that integrates different players, considering constant communication between them to improve power system operation and management. One of the players revealing a big importance in this context is the Virtual Power Player (VPP). In the transportation sector the Electric Vehicle (EV) is arising as an alternative to conventional vehicles propel by fossil fuels. The power system can benefit from this massive introduction of EVs, taking advantage on EVs’ ability to connect to the electric network to charge, and on the future expectation of EVs ability to discharge to the network using the Vehicle-to-Grid (V2G) capacity. This thesis proposes alternative strategies to control these two EV modes with the objective of enhancing the management of the power system. Moreover, power system must ensure the trips of EVs that will be connected to the electric network. The EV user specifies a certain amount of energy that will be necessary to charge, in order to ensure the distance to travel. The introduction of EVs in the power system turns the Energy Resource Management (ERM) under a smart grid environment, into a complex problem that can take several minutes or hours to reach the optimal solution. Adequate optimization techniques are required to accommodate this kind of complexity while solving the ERM problem in a reasonable execution time. This thesis presents a tool that solves the ERM considering the intensive use of EVs in the smart grid context. The objective is to obtain the minimum cost of ERM considering: the operation cost of DG, the cost of the energy acquired to external suppliers, the EV users payments and remuneration and penalty costs. This tool is directed to VPPs that manage specific network areas, where a high penetration level of EVs is expected to be connected in these areas. The ERM is solved using two methodologies: the adaptation of a deterministic technique proposed in a previous work, and the adaptation of the Simulated Annealing (SA) technique. With the purpose of improving the SA performance for this case, three heuristics are additionally proposed, taking advantage on the particularities and specificities of an ERM with these characteristics. A set of case studies are presented in this thesis, considering a 32 bus distribution network and up to 3000 EVs. The first case study solves the scheduling without considering EVs, to be used as a reference case for comparisons with the proposed approaches. The second case study evaluates the complexity of the ERM with the integration of EVs. The third case study evaluates the performance of scheduling with different control modes for EVs. These control modes, combined with the proposed SA approach and with the developed heuristics, aim at improving the quality of the ERM, while reducing drastically its execution time. The proposed control modes are: uncoordinated charging, smart charging and V2G capability. The fourth and final case study presents the ERM approach applied to consecutive days.

CuxSnSx+1 (x = 2, 3) thin films grown by sulfurization of metallic precursors deposited by dc magnetron sputtering

We report the results of the growth of Cu-Sn-S ternary chalcogenide compounds by sulfurization of dc magnetron sputtered metallic precursors. Tetragonal Cu2SnS3 forms for a maximum sulfurization temperature of 350 ºC. Cubic Cu2SnS3 is obtained at sulfurization temperatures above 400 ºC. These results are supported by XRD analysis and Raman spectroscopy measurements. The latter analysis shows peaks at 336 cm-1, 351 cm-1 for tetragonal Cu2SnS3, and 303 cm-1, 355 cm-1 for cubic Cu2SnS3. Optical analysis shows that this phase change lowers the band gap from 1.35 eV to 0.98 eV. At higher sulfurization temperatures increased loss of Sn is expected in the sulphide form. As a consequence, higher Cu content ternary compounds like Cu3SnS4 grow. In these conditions, XRD and Raman analysis only detected orthorhombic (Pmn21) phase (petrukite). This compound has Raman peaks at 318 cm-1, 348 cm-1 and 295 cm-1. For a sulfurization temperature of 450 ºC the samples present a multi-phase structure mainly composed by cubic Cu2SnS3 and orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4. For higher temperatures, the samples are single phase and constituted by orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4. Transmittance and reflectance measurements were used to estimate a band gap of 1.60 eV. For comparison we also include the results for Cu2ZnSnS4 obtained using similar growth conditions.

Growth pressure dependence of Cu2ZnSnSe4 properties

In this work, we show a set of growth conditions, for the two step process, with which the growth of CZTSe is successful and reproducible. The properties of the best CTZSe thin films grown by this method were examined by SEM/EDS, XRD, Raman scattering, AFM/EFM, transmittance and reflectance measurements, photoluminescence (PL) measurements and hot point probe. A broad emission band was observed in the photoluminescence spectrum of the CZTSe thin film. The band gap energy was estimated to be around 1.05 eV at room temperature, using the transmittance and reflectance data, and CZTSe samples show p-type conductivity with the hot point probe. The different characterization techniques show that we could grow single phase CZTSe thin films with our optimized process conditions.

Influence of selenization pressure on the growth of Cu2ZnSnSe4 films from stacked metallic layers

Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) is a p-type semiconductor with a high absorption coefficient, 104 to 105 cm-1, and is being seen as a possible replacement for Cu(In,Ga)Se2 in thin film solar cells. Yet, there are some fundamental properties of CZTSe that are not well known, one of them is its band gap. In order to resolve its correct value it is necessary to improve the growth conditions to ensure that single phase crystalline thin films are obtained. One of the problems encountered when growing CZTSe is the loss of Sn through evaporation of SnSe. Stoichiometric films are then difficult to obtain and usually there are other phases present. One possible way to overcome this problem is to increase the pressure of growth of CZTSe. This can be done by introducing an atmosphere of an inert gas like Ar or N2. In this work we report the results of morphological, structural and optical studies of the properties of CZTSe thin films grown by selenization of DC magnetron sputtered metallic layers under different Ar pressures. The films are analysed by SEM/EDS, Raman scattering and XRD.

Mixed integer non linear programming and artificial neural network based approach to ancillary services dispatch in competitive electricity markets

Ancillary services represent a good business opportunity that must be considered by market players. This paper presents a new methodology for ancillary services market dispatch. The method considers the bids submitted to the market and includes a market clearing mechanism based on deterministic optimization. An Artificial Neural Network is used for day-ahead prediction of Regulation Down, regulation-up, Spin Reserve and Non-Spin Reserve requirements. Two test cases based on California Independent System Operator data concerning dispatch of Regulation Down, Regulation Up, Spin Reserve and Non-Spin Reserve services are included in this paper to illustrate the application of the proposed method: (1) dispatch considering simple bids; (2) dispatch considering complex bids.

Escalonamento de geradores térmicos com integração de produção eólica: uma abordagem baseada em programação inteira mista

A alta e crescente participação da energia eólica na matriz da produção traz grandes desafios aos operadores do sistema na gestão da rede e planeamento da produção. A incerteza associada à produção eólica condiciona os processos de escalonamento e despacho económico dos geradores térmicos, uma vez que a produção eólica efetiva pode ser muito diferente da produção prevista. O presente trabalho propõe duas metodologias de otimização do escalonamento de geradores térmicos baseadas em Programação Inteira Mista. Pretende-se encontrar soluções de escalonamento que minimizem as influências negativas da integração de energia eólica no sistema elétrico. Inicialmente o problema de escalonamento de geradores é formulado sem considerar a integração da energia eólica. Posteriormente foi considerada a penetração da energia eólica no sistema elétrico. No primeiro modelo proposto, o problema é formulado como um problema de otimização estocástico. Nesta formulação todos os cenários de produção eólica são levados em consideração no processo de otimização. No segundo modelo, o problema é formulado como um problema de otimização determinística. Nesta formulação, o escalonamento é feito para cada cenário de produção eólica e no fim determina-se a melhor solução por meio de indicadores de avaliação. Foram feitas simulações para diferentes níveis de reserva girante e os resultados obtidos mostraram que a alta participação da energia eólica na matriz da produção põe em causa a segurança e garantia de produção devido às características volátil e intermitente da produção eólica e para manter os mesmos níveis de segurança é preciso dispor no sistema de capacidade reserva girante suficiente capaz de compensar os erros de previsão.

Estudo e parametrização das principais proteções elétricas de geradores e transformadores de grupo de uma central hidroelétrica

Nesta dissertação, é realizado o estudo e parametrização dos relés de proteção para geradores e transformadores de grupo de uma central hidroelétrica. É efetuada, também, uma breve abordagem à manutenção e ensaio dos respetivos relés. No fornecimento de Energia Elétrica aos seus consumidores, deve-se ter em consideração todo o funcionamento do Sistema Elétrico de Energia (SEE). Como os SEE são projetados para gerar energia elétrica para responder à carga, é necessário garantir que este assegure o fornecimento de energia elétrica com elevados padrões de qualidade e continuidade de serviço. Assim, as proteções revelam, um papel fulcral na garantia da continuidade de serviço. As proteções são constituídas por equipamentos de proteção nomeadamente, relés de proteção, que são dispositivos cuja função é retirar de serviço os equipamentos em defeito, permitindo que o restante sistema elétrico seja alimentado. Os sistemas de proteção são, assim, de extrema importância, já que têm como função, assegurar, garantir e eliminar anomalias evitando danos nos equipamentos e nos utilizadores/consumidores.

Decision Support Concerning Demand Response Programs Design and Use – A Conceptual Framework and Simulation Tool

Demand response can play a very relevant role in the context of power systems with an intensive use of distributed energy resources, from which renewable intermittent sources are a significant part. More active consumers participation can help improving the system reliability and decrease or defer the required investments. Demand response adequate use and management is even more important in competitive electricity markets. However, experience shows difficulties to make demand response be adequately used in this context, showing the need of research work in this area. The most important difficulties seem to be caused by inadequate business models and by inadequate demand response programs management. This paper contributes to developing methodologies and a computational infrastructure able to provide the involved players with adequate decision support on demand response programs and contracts design and use. The presented work uses DemSi, a demand response simulator that has been developed by the authors to simulate demand response actions and programs, which includes realistic power system simulation. It includes an optimization module for the application of demand response programs and contracts using deterministic and metaheuristic approaches. The proposed methodology is an important improvement in the simulator while providing adequate tools for demand response programs adoption by the involved players. A machine learning method based on clustering and classification techniques, resulting in a rule base concerning DR programs and contracts use, is also used. A case study concerning the use of demand response in an incident situation is presented.

Dynamic load management in a smart home to participate in demand response events

In future power systems, in the smart grid and microgrids operation paradigms, consumers can be seen as an energy resource with decentralized and autonomous decisions in the energy management. It is expected that each consumer will manage not only the loads, but also small generation units, heating systems, storage systems, and electric vehicles. Each consumer can participate in different demand response events promoted by system operators or aggregation entities. This paper proposes an innovative method to manage the appliances on a house during a demand response event. The main contribution of this work is to include time constraints in resources management, and the context evaluation in order to ensure the required comfort levels. The dynamic resources management methodology allows a better resources’ management in a demand response event, mainly the ones of long duration, by changing the priorities of loads during the event. A case study with two scenarios is presented considering a demand response with 30 min duration, and another with 240 min (4 h). In both simulations, the demand response event proposes the power consumption reduction during the event. A total of 18 loads are used, including real and virtual ones, controlled by the presented house management system.

Estudo e análise das centrais híbridas de energias renováveis

Com o aumento do preço da eletricidade e o fim dos combustíveis fósseis, associados à necessidade de Portugal reduzir a sua dependência energética do exterior, provoca a necessidade urgente de apostar nas energias renováveis. Perante este cenário, e assumindo que o custo da fatura energética, é para as empresas portuguesas um fator cada vez mais determinante para serem competitivas, devido aos aumentos consecutivos da energia nos últimos anos, bem como, a subida do imposto de valor acrescentado (IVA) de 6% para 23%. Outro aspeto importante é a eficiência energética como instrumento para reduzir os consumos de eletricidade. Com estas duas medidas: utilização de energias renováveis e o aumento da eficiência energética, são extremamente importantes para a redução da produção dos gases de efeito estufa (GEE). Consequentemente, as empresas terão de investir na produção da própria energia a partir de fontes renováveis, de modo a proporcionar um desenvolvimento sustentável, associado à redução da fatura energética. Esta dissertação propõe o dimensionamento de um sistema híbrido composto por tecnologia fotovoltaica e eólica, com e sem armazenamento de energia em baterias, adequado para reduzir uma parte dos consumos de uma empresa enquadrada no sector dos plásticos. O dimensionamento deste sistema, foi efetuado com recurso à caracterização dos consumos da empresa através da recolha de dados e leituras no local da instalação. Paralelamente, foi efetuada uma pesquisa em diversos fabricantes, de modo a identificar qual o sistema mais indicado a adotar, considerando painéis fotovoltaicos, turbinas eólicas, inversores e baterias. Com base nos dados recolhidos na empresa e referentes ao potencial eólico e solar para o distrito do Porto, em conjunto com as características técnicas dos equipamentos selecionados, foi delineado o sistema híbrido utilizando para o efeito um software de simulação e otimização de sistemas híbridos, denominado Hybrid Optimization Model for Eletric Renewable (HOMER). São apresentadas várias simulações para as diversas configurações escolhidas e estudos comparativos entre si, com o objetivo de reduzir o consumo de eletricidade da rede. Adicionalmente, foram realizadas duas configurações apenas com tecnologia fotovoltaica, de modo a efetuar uma análise comparativa entre um sistema híbrido e outro apenas com uma fonte renovável. Os resultados apresentados focaram-se no desempenho diário, mensal e anual, bem como, a produção individual de cada tecnologia evidenciada. Por último, procedeu-se ao estudo da viabilidade técnico-económica das configurações.

Deteção de avarias na caixa de engrenagens de aerogeradores

Ao longo dos últimos anos tem-se assistido a um forte desenvolvimento e crescimento do número de parques eólicos instalados no mundo, o que leva a que seja necessário o incremento de ferramentas que permitam aperfeiçoar os sistemas de monitorização e controlo atualmente existentes. Por outro lado, não se deve deixar de ter em conta os custos elevados de operação e manutenção dos sistemas eólicos bem como o facto de os aerogeradores estarem localizadas em locais remotos ou offshore, o que faz aumentar os custos associados à sua exploração. A dissertação nasce da intenção clara do mercado em apostar na supervisão e previsão de avarias graves, de forma a minimizar os encargos subjacentes. Este trabalho de dissertação visa a utilização de redes neuronais para criar uma ferramenta informática de previsão de avarias em caixas de engrenagens em aerogeradores. As redes neuronais são ferramentas informáticas ideais para trabalhar com muita informação, sendo que a sua aplicação depende da qualidade e quantidade dos dados. Para tal irá ser efetuado um estudo em um parque eólico, no qual se analisará as principais avarias detetadas bem como as grandezas que deverão integrar a construção desta rede neuronal. Assim sendo, a informação relativa às diversas máquinas existentes num parque, é de enorme importância para a definição e otimização da rede neuronal a construir. Os resultados obtidos neste trabalho com a aplicação de redes neuronais para a previsão de avarias em caixas de engrenagens do parque eólico de estudo, provam que é possível realizar uma deteção da avaria bem como uma constatação de que a reparação possa ter sido bem efetuada ou mal sucedida, podendo assim ser ajustados os programas de manutenção a efetuar e uma verificação das ações de reparação para sua validação.