Using demand response to deal with unexpected low wind power generation in the context of smart grid

Demand response is assumed an essential resource to fully achieve the smart grids operating benefits, namely in the context of competitive markets. Some advantages of Demand Response (DR) programs and of smart grids can only be achieved through the implementation of Real Time Pricing (RTP). The integration of the expected increasing amounts of distributed energy resources, as well as new players, requires new approaches for the changing operation of power systems. The methodology proposed aims the minimization of the operation costs in a smart grid operated by a virtual power player. It is especially useful when actual and day ahead wind forecast differ significantly. When facing lower wind power generation than expected, RTP is used in order to minimize the impacts of such wind availability change. The proposed model application is here illustrated using the scenario of a special wind availability reduction day in the Portuguese power system (8th February 2012).

Análise da Qualidade de Energia em Instalações Eléctricas com MiniProdução

Com a alteração da legislação energética em Portugal, nomeadamente a implementação da legislação de Micro e Minigeração, a produção distribuída cresceu de forma exponencial na rede elétrica nacional, diminuindo por um lado as perdas no transporte e distribuição, e por outro aumentando a complexidade na gestão do trânsito de potência ao Distribuidor. No entanto a motivação desta dissertação prende-se com o facto de que as centrais de produção distribuída, em particular as de tecnologia fotovoltaica, pela sua dimensão, serem instaladas nos pontos de consumo, em paralelo com a instalação elétrica de utilização do cliente e como tal, têm sido verificadas diversas anomalias no funcionamento e exploração das mesmas, por influência da má qualidade de energia resultante das más condições de funcionamento e exploração em que se encontram as instalações de consumo. A presente dissertação pretende apresentar uma descrição das anomalias mais frequentes verificadas nas centrais fotovoltaicas de minigeração com origem na qualidade da energia que transita das instalações elétricas de consumo ligadas ao mesmo ponto de interligação com a rede elétrica nacional. Como base de fundamento, foram demonstradas através de três casos práticos reais, algumas das mais frequentes e prejudiciais anomalias descritas na presente dissertação. Foram escolhidos 3 casos reais com diferentes tipos de instalação de consumo sendo que um deles não apresenta qualquer anomalia de forma a comprovar o bom funcionamento em condições normais de ambas as instalações. Foram encontradas e demonstradas várias soluções paras os diferentes tipos de anomalias, no entanto esta dissertação vai permitir não só a resolução deste tipo de anomalias em centrais fotovoltaicas em exploração e já com prejuízos avultados mas também introduzir em futuras instalações a análise da qualidade da energia nas instalações de consumo em fase preliminar de estudo de implementação de centrais fotovoltaicas de minigeração e de autoconsumo, precavendo futuros problemas de rentabilidade técnico-económica. Este estudo, irá certamente servir de motor de impulsão para a preocupação com a Qualidade da Energia essencialmente dentro das instalações elétricas de consumo sensibilizando os seus gestores energéticos. Poderá ainda impulsionar a reformulação do Regulamento de Qualidade de Serviço para exigências ainda mais apertadas de forma a incorporar algumas das anomalias aqui descritas, sendo por isso um elemento de alerta para todos os “Players” do Sistema Elétrico Nacional tendo como limite a melhoria continua da Segurança e da Qualidade da energia na rede elétrica beneficiando da sensibilização de todos os intervenientes.

Virtual power players dealing with excessive wind power situations using real time pricing

The increasing importance given by environmental policies to the dissemination and use of wind power has led to its fast and large integration in power systems. In most cases, this integration has been done in an intensive way, causing several impacts and challenges in current and future power systems operation and planning. One of these challenges is dealing with the system conditions in which the available wind power is higher than the system demand. This is one of the possible applications of demand response, which is a very promising resource in the context of competitive environments that integrates even more amounts of distributed energy resources, as well as new players. The methodology proposed aims the maximization of the social welfare in a smart grid operated by a virtual power player that manages the available energy resources. When facing excessive wind power generation availability, real time pricing is applied in order to induce the increase of consumption so that wind curtailment is minimized. The proposed method is especially useful when actual and day-ahead wind forecast differ significantly. The proposed method has been computationally implemented in GAMS optimization tool and its application is illustrated in this paper using a real 937-bus distribution network with 20310 consumers and 548 distributed generators, some of them with must take contracts.

Multi-agent simulation of continental, regional, and micro electricity markets

Renewable based power generation has significantly increased over the last years. However, this process has evolved separately from electricity markets, leading to an inadequacy of the present market models to cope with huge quantities of renewable energy resources, and to take full advantage of the presently existing and the increasing envisaged renewable based and distributed energy resources. This paper proposes the modelling of electricity markets at several levels (continental, regional and micro), taking into account the specific characteristics of the players and resources involved in each level and ensuring that the proposed models accommodate adequate business models able to support the contribution of all the resources in the system, from the largest to the smaller ones. The proposed market models are integrated in MASCEM (Multi- Agent Simulator of Competitive Electricity Markets), using the multi agent approach advantages for overcoming the current inadequacy and significant limitations of the presently existing electricity market simulators to deal with the complex electricity market models that must be adopted.

Intelligent energy resources management in the context of smart grids

Smart grids are envisaged as infrastructures able to accommodate all centralized and distributed energy resources (DER), including intensive use of renewable and distributed generation (DG), storage, demand response (DR), and also electric vehicles (EV), from which plug-in vehicles, i.e. gridable vehicles, are especially relevant. Moreover, smart grids must accommodate a large number of diverse types or players in the context of a competitive business environment. Smart grids should also provide the required means to efficiently manage all these resources what is especially important in order to make the better possible use of renewable based power generation, namely to minimize wind curtailment. An integrated approach, considering all the available energy resources, including demand response and storage, is crucial to attain these goals. This paper proposes a methodology for energy resource management that considers several Virtual Power Players (VPPs) managing a network with high penetration of distributed generation, demand response, storage units and network reconfiguration. The resources are controlled through a flexible SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) system that can be accessed by the evolved entities (VPPs) under contracted use conditions. A case study evidences the advantages of the proposed methodology to support a Virtual Power Player (VPP) managing the energy resources that it can access in an incident situation.

Reactive power compensation by EPSO technique

This paper presents a methodology to address reactive power compensation using Evolutionary Particle Swarm Optimization (EPSO) technique programmed in the MATLAB environment. The main objective is to find the best operation point minimizing power losses with reactive power compensation, subjected to all operational constraints, namely full AC power flow equations, active and reactive power generation constraints. The methodology has been tested with the IEEE 14 bus test system demonstrating the ability and effectiveness of the proposed approach to handle the reactive power compensation problem.

Optimal dispatch with reactive power compensation by Genetic Algorithm

This paper presents a Unit Commitment model with reactive power compensation that has been solved by Genetic Algorithm (GA) optimization techniques. The GA has been developed a computational tools programmed/coded in MATLAB. The main objective is to find the best generations scheduling whose active power losses are minimal and the reactive power to be compensated, subjected to the power system technical constraints. Those are: full AC power flow equations, active and reactive power generation constraints. All constraints that have been represented in the objective function are weighted with a penalty factors. The IEEE 14-bus system has been used as test case to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm. Results and conclusions are dully drawn.

A new MILP based approach for unit commitment in power production planning

This paper presents a complete, quadratic programming formulation of the standard thermal unit commitment problem in power generation planning, together with a novel iterative optimisation algorithm for its solution. The algorithm, based on a mixed-integer formulation of the problem, considers piecewise linear approximations of the quadratic fuel cost function that are dynamically updated in an iterative way, converging to the optimum; this avoids the requirement of resorting to quadratic programming, making the solution process much quicker. From extensive computational tests on a broad set of benchmark instances of this problem, the algorithm was found to be flexible and capable of easily incorporating different problem constraints. Indeed, it is able to tackle ramp constraints, which although very important in practice were rarely considered in previous publications. Most importantly, optimal solutions were obtained for several well-known benchmark instances, including instances of practical relevance, that are not yet known to have been solved to optimality. Computational experiments and their results showed that the method proposed is both simple and extremely effective.

Modified Particle Swarm Optimization Applied to Integrated Demand Response and DG Resources Scheduling

The elastic behavior of the demand consumption jointly used with other available resources such as distributed generation (DG) can play a crucial role for the success of smart grids. The intensive use of Distributed Energy Resources (DER) and the technical and contractual constraints result in large-scale non linear optimization problems that require computational intelligence methods to be solved. This paper proposes a Particle Swarm Optimization (PSO) based methodology to support the minimization of the operation costs of a virtual power player that manages the resources in a distribution network and the network itself. Resources include the DER available in the considered time period and the energy that can be bought from external energy suppliers. Network constraints are considered. The proposed approach uses Gaussian mutation of the strategic parameters and contextual self-parameterization of the maximum and minimum particle velocities. The case study considers a real 937 bus distribution network, with 20310 consumers and 548 distributed generators. The obtained solutions are compared with a deterministic approach and with PSO without mutation and Evolutionary PSO, both using self-parameterization.

Modelling real solar cell using PSCAD/MATLAB

This paper presents the development of a solar photovoltaic (PV) model based on PSCAD/EMTDC - Power System Computer Aided Design – including a mathematical model study. An additional algorithm has been implemented in MATLAB software in order to calculate several parameters required by the PSCAD developed model. All the simulation study has been performed in PSCAD/MATLAB software simulation tool. A real data base concerning irradiance, cell temperature and PV power generation was used in order to support the evaluation of the implemented PV model.

A data-mining-based methodology for transmission expansion planning

In recent decades, all over the world, competition in the electric power sector has deeply changed the way this sector’s agents play their roles. In most countries, electric process deregulation was conducted in stages, beginning with the clients of higher voltage levels and with larger electricity consumption, and later extended to all electrical consumers. The sector liberalization and the operation of competitive electricity markets were expected to lower prices and improve quality of service, leading to greater consumer satisfaction. Transmission and distribution remain noncompetitive business areas, due to the large infrastructure investments required. However, the industry has yet to clearly establish the best business model for transmission in a competitive environment. After generation, the electricity needs to be delivered to the electrical system nodes where demand requires it, taking into consideration transmission constraints and electrical losses. If the amount of power flowing through a certain line is close to or surpasses the safety limits, then cheap but distant generation might have to be replaced by more expensive closer generation to reduce the exceeded power flows. In a congested area, the optimal price of electricity rises to the marginal cost of the local generation or to the level needed to ration demand to the amount of available electricity. Even without congestion, some power will be lost in the transmission system through heat dissipation, so prices reflect that it is more expensive to supply electricity at the far end of a heavily loaded line than close to an electric power generation. Locational marginal pricing (LMP), resulting from bidding competition, represents electrical and economical values at nodes or in areas that may provide economical indicator signals to the market agents. This article proposes a data-mining-based methodology that helps characterize zonal prices in real power transmission networks. To test our methodology, we used an LMP database from the California Independent System Operator for 2009 to identify economical zones. (CAISO is a nonprofit public benefit corporation charged with operating the majority of California’s high-voltage wholesale power grid.) To group the buses into typical classes that represent a set of buses with the approximate LMP value, we used two-step and k-means clustering algorithms. By analyzing the various LMP components, our goal was to extract knowledge to support the ISO in investment and network-expansion planning.

Previsão e definição de perfis na gestão dos recursos de energia no âmbito de edifícios auto-sustentáveis

Nos últimos anos o consumo de energia elétrica produzida a partir de fontes renováveis tem aumentado significativamente. Este aumento deve-se ao impacto ambiental que recursos como o petróleo, gás, urânio, carvão, entre outros, têm no meio ambiente e que são notáveis no diaa- dia com as alterações climáticas e o aquecimento global. Por sua vez, estes recursos têm um ciclo de vida limitado e a dada altura tornar-se-ão escassos. A preocupação de uma melhoria contínua na redução dos impactos ambientais levou à criação de Normas para uma gestão mais eficiente e sustentável do consumo de energia nos edifícios. Parte da eletricidade vendida pelas empresas de comercialização é produzida através de fontes renováveis, e com a recente publicação do Decreto de Lei nº 153/2014 de 20 outubro de 2014 que regulamenta o autoconsumo, permitindo que também os consumidores possam produzir a sua própria energia nas suas residências para reduzir os custos com a compra de eletricidade. Neste contexto surgiram os edifícios inteligentes. Por edifícios inteligentes entende-se que são edifícios construídos com materiais que os tornam mais eficientes, possuem iluminação e equipamentos elétricos mais eficientes, e têm sistemas de produção de energia que permitem alimentar o próprio edifício, para um consumo mais sustentado. Os sistemas implementados nos edifícios inteligentes visam a monitorização e gestão da energia consumida e produzida para evitar desperdícios de consumo. O trabalho desenvolvido visa o estudo e a implementação de Redes Neuronais Artificiais (RNA) para prever os consumos de energia elétrica dos edifícios N e I do ISEP/GECAD, bem como a previsão da produção dos seus painéis fotovoltáicos. O estudo feito aos dados de consumo permitiu identificar perfis típicos de consumo ao longo de uma semana e de que forma são influenciados pelo contexto, nomeadamente, com os dias da semana versus fim-de-semana, e com as estações do ano, sendo analisados perfis de consumo de inverno e verão. A produção de energia através de painéis fotovoltaicos foi também analisada para perceber se a produção atual é suficiente para satisfazer as necessidades de consumo dos edifícios. Também foi analisada a possibilidade da produção satisfazer parcialmente as necessidades de consumos específicos, por exemplo, da iluminação dos edifícios, dos seus sistemas de ar condicionado ou dos equipamentos usados.

Valorização da Borra de Café: Otimização da Produção de Biodiesel por Catálise Enzimática

O decréscimo das reservas de petróleo e as consequências ambientais resultantes do recurso a combustíveis fósseis nos motores a diesel têm levado à procura de combustíveis alternativos. Esta pesquisa alicerçada nas fontes de energia renovável tornou-se essencial, face à crescente procura de energia e ao limitado fornecimento de combustíveis fósseis . Resíduos de óleo de cozinha, gordura animal, entre outros resíduos de origem biológica, tais como a borra de café, são exemplos de matérias-primas para a produção de biodiesel. A sua valorização tem interesse quer pela perspetiva ambiental, quer pela económica, pois aumenta não só a flexibilidade e diversificação das matérias-primas, mas também contribui para uma estabilidade de custos e alteração nas políticas agrícolas e de uso do solo. É neste contexto que se enquadra o biodiesel e a borra de café, pretendendo-se aqui efetuar o estudo da produção, à escala laboratorial, de biodiesel a partir da borra de café, por transesterificação enzimática, visando a procura das melhores condições reacionais. Iniciando-se com a caracterização da borra de café, foram avaliados antes e após a extração do óleo da borra de café, diversos parâmetros, de entre os quais se destacam: o teor de humidade (16,97% e 6,79%), teor de cinzas (1,91 e 1,57%), teor de azoto (1,71 e 2,30%), teor de proteínas (10,7 e 14,4%), teor de carbono (70,2 e 71,7%), teor de celulose bruta (14,77 e 18,48%), teor de lenhina (31,03% e 30,97%) e poder calorifico superior (19,5 MJ/kg e 19,9 MJ/kg). Sumariamente, constatou-se que os valores da maioria dos parâmetros não difere substancialmente dos valores encontrados na literatura, tendo sido evidenciado o potencial da utilização desta biomassa, como fonte calorifica para queima e geração de energia. Sendo a caracterização do óleo extraído da borra de café um dos objetivos antecedentes à produção do biodiesel, pretendeu-se avaliar os diferentes parâmetros mais significativos. No que diz respeito à caracterização do óleo extraído, distingue-se a sua viscosidade cinemática (38,04 mm2/s), densidade 0,9032 g/cm3, poder calorífico de 37,9 kcal/kg, índice de iodo igual a 63,0 gI2/ 100 g óleo, o teor de água do óleo foi de 0,15 %, o índice de acidez igual a 44,8 mg KOH/g óleo, ponto de inflamação superior a 120 ºC e teor em ácidos gordos de 82,8%. Inicialmente foram efetuados ensaios preliminares, a fim de selecionar a lipase (Lipase RMIM, TL 100L e CALB L) e álcool (metanol ou etanol puros) mais adequados à produção de biodiesel, pelo que o rendimento de 83,5% foi obtido através da transesterificação mediada pela lipase RMIM, utilizando como álcool o etanol. Sendo outro dos objetivos a otimização do processo de transesterificação enzimática, através de um desenho composto central a três variáveis (razão molar etanol: óleo, concentração de enzima e temperatura), recorrendo ao software JMP 8.0, determinou-se como melhores condições, uma razão molar etanol: óleo 5:1, adição de 4,5% (m/m) de enzima e uma temperatura de 45 ºC, que conduziram a um rendimento experimental equivalente a 96,7 % e teor de ésteres 87,6%. Nestas condições, o rendimento teórico foi de 99,98%. Procurou-se ainda estudar o efeito da adição de água ao etanol, isto é, o efeito da variação da concentração do etanol pela adição de água, para teores de etanol de 92%, 85% e 75%. Verificou-se que até 92% decorreu um aumento da transesterificação (97,2%) para um teor de ésteres de (92,2%), pelo que para teores superiores de água adicionada (75% e 85%) ocorreu um decréscimo no teor final em ésteres (77,2% e 89,9%) e no rendimento da reação (84,3% e 91,9%). Isto indica a ocorrência da reação de hidrólise em maior extensão, que leva ao desvio do equilíbrio no sentido contrário à reação de formação dos produtos, isto é, dos ésteres. Finalmente, relativamente aos custos associados ao processo de produção de biodiesel, foram estimados para o conjunto de 27 ensaios realizados neste trabalho, e que corresponderam a 767,4 g de biodiesel produzido, sendo o custo dos reagentes superior ao custo energético, de 156,16 € e 126,02 €, respetivamente. Naturalmente que não esperamos que, a nível industrial os custos sejam desta ordem de grandeza, tanto mais que há economia de escala e que as enzimas utilizadas no processo deveriam ser reutilizadas diversas vezes.

Virtual power producers simulation - negotiating renewable distributed generation in competitive electricity markets

Sustainable development concerns made renewable energy sources to be increasingly used for electricity distributed generation. However, this is mainly due to incentives or mandatory targets determined by energy policies as in European Union. Assuring a sustainable future requires distributed generation to be able to participate in competitive electricity markets. To get more negotiation power in the market and to get advantages of scale economy, distributed generators can be aggregated giving place to a new concept: the Virtual Power Producer (VPP). VPPs are multi-technology and multisite heterogeneous entities that should adopt organization and management methodologies so that they can make distributed generation a really profitable activity, able to participate in the market. This paper presents ViProd, a simulation tool that allows simulating VPPs operation, in the context of MASCEM, a multi-agent based eletricity market simulator.

Distributed Generation and Demand Response Dispatch for a Virtual Power Player Energy and Reserve Provision

Recent changes in the operation and planning of power systems have been motivated by the introduction of Distributed Generation (DG) and Demand Response (DR) in the competitive electricity markets' environment, with deep concerns at the efficiency level. In this context, grid operators, market operators, utilities and consumers must adopt strategies and methods to take full advantage of demand response and distributed generation. This requires that all the involved players consider all the market opportunities, as the case of energy and reserve components of electricity markets. The present paper proposes a methodology which considers the joint dispatch of demand response and distributed generation in the context of a distribution network operated by a virtual power player. The resources' participation can be performed in both energy and reserve contexts. This methodology contemplates the probability of actually using the reserve and the distribution network constraints. Its application is illustrated in this paper using a 32-bus distribution network with 66 DG units and 218 consumers classified into 6 types of consumers.