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.

Previsão de curto prazo do consumo de energia elétrica

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica - Ramo de Energia

Metaheuristic approach to the Holt-Winters optimal short term load forecast

Electricity short-term load forecast is very important for the operation of power systems. In this work a classical exponential smoothing model, the Holt-Winters with double seasonality was used to test for accurate predictions applied to the Portuguese demand time series. Some metaheuristic algorithms for the optimal selection of the smoothing parameters of the Holt-Winters forecast function were used and the results after testing in the time series showed little differences among methods, so the use of the simple local search algorithms is recommended as they are easier to implement.

Metaheuristhic approach to the Holt-Winters optimal short term load forecast

Electricity short-term load forecast is very important for the operation of power systems. In this work a classical exponential smoothing model, the Holt-Winters with double seasonality was used to test for accurate predictions applied to the Portuguese demand time series. Some metaheuristic algorithms for the optimal selection of the smoothing parameters of the Holt-Winters forecast function were used and the results after testing in the time series showed little differences among methods, so the use of the simple local search algorithms is recommended as they are easier to implement.

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.

Marx-Type solid-state bipolar modulator topologies: Performance comparison

The operation of generalized Marx-type solid-state bipolar modulators is discussed and compared with simplified Marx-derived circuits, to evaluate their capability to deal with various load conditions. A comparative analysis on the number of switches per cell, fiber optic trigger count, losses, and switch hold-off voltages has been made. A circuit topology is obtained as a compromise in terms of operating performance, trigger simplicity, and switching losses. A five-stage laboratory prototype of this circuit has been assembled using 1200 V insulated gate bipolar transistors (IGBTs) and diodes, operating with 1000 V dc input voltage and 1 kHz frequency, giving 5 kV bipolar pulses, with 2.5 mu s pulse width and 5 mu s relaxation time into resistive, capacitive, and inductive loads.

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.

Comparing wind generation profiles: A circular data approach

The importance of wind power energy for energy and environmental policies has been growing in past recent years. However, because of its random nature over time, the wind generation cannot be reliable dispatched and perfectly forecasted, becoming a challenge when integrating this production in power systems. In addition the wind energy has to cope with the diversity of production resulting from alternative wind power profiles located in different regions. In 2012, Portugal presented a cumulative installed capacity distributed over 223 wind farms [1]. In this work the circular data statistical methods are used to analyze and compare alternative spatial wind generation profiles. Variables indicating extreme situations are analyzed. The hour (s) of the day where the farm production attains its maximum daily production is considered. This variable was converted into circular variable, and the use of circular statistics enables to identify the daily hour distribution for different wind production profiles. This methodology was applied to a real case, considering data from the Portuguese power system regarding the year 2012 with a 15-minutes interval. Six geographical locations were considered, representing different wind generation profiles in the Portuguese system.In this work the circular data statistical methods are used to analyze and compare alternative spatial wind generation profiles. Variables indicating extreme situations are analyzed. The hour (s) of the day where the farm production attains its maximum daily production is considered. This variable was converted into circular variable, and the use of circular statistics enables to identify the daily hour distribution for different wind production profiles. This methodology was applied to a real case, considering data from the Portuguese power system regarding the year 2012 with a 15-minutes interval. Six geographical locations were considered, representing different wind generation profiles in the Portuguese 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.

Demand Response Design and Use Based on Network Locational Marginal Prices

Power systems have been experiencing huge changes mainly due to the substantial increase of distributed generation (DG) and the operation in competitive environments. Virtual Power Players (VPP) can aggregate several players, namely a diversity of energy resources, including distributed generation (DG) based on several technologies, electric storage systems (ESS) and demand response (DR). Energy resources management gains an increasing relevance in this competitive context. This makes the DR use more interesting and flexible, giving place to a wide range of new opportunities. This paper proposes a methodology to support VPPs in the DR programs’ management, considering all the existing energy resources (generation and storage units) and the distribution network. The proposed method is based on locational marginal prices (LMP) values. The evaluation of the impact of using DR specific programs in the LMP values supports the manager decision concerning the DR use. The proposed method has been computationally implemented and its application is illustrated in this paper using a 33-bus network with intensive use of DG.

Constrained Consumption Shifting Management in the Distributed Energy Resources Scheduling Considering Demand Response

Demand response concept has been gaining increasing importance while the success of several recent implementations makes this resource benefits unquestionable. This happens in a power systems operation environment that also considers an intensive use of distributed generation. However, more adequate approaches and models are needed in order to address the small size consumers and producers aggregation, while taking into account these resources goals. The present paper focuses on the demand response programs and distributed generation resources management by a Virtual Power Player that optimally aims to minimize its operation costs taking the consumption shifting constraints into account. The impact of the consumption shifting in the distributed generation resources schedule is also considered. The methodology is applied to three scenarios based on 218 consumers and 4 types of distributed generation, in a time frame of 96 periods.

Cost Allocation Model for Distribution Networks Considering High Penetration of Distributed Energy Resources

The high penetration of distributed energy resources (DER) in distribution networks and the competitiveenvironment of electricity markets impose the use of new approaches in several domains. The networkcost allocation, traditionally used in transmission networks, should be adapted and used in the distribu-tion networks considering the specifications of the connected resources. The main goal is to develop afairer methodology trying to distribute the distribution network use costs to all players which are usingthe network in each period. In this paper, a model considering different type of costs (fixed, losses, andcongestion costs) is proposed comprising the use of a large set of DER, namely distributed generation(DG), demand response (DR) of direct load control type, energy storage systems (ESS), and electric vehi-cles with capability of discharging energy to the network, which is known as vehicle-to-grid (V2G). Theproposed model includes three distinct phases of operation. The first phase of the model consists in aneconomic dispatch based on an AC optimal power flow (AC-OPF); in the second phase Kirschen’s andBialek’s tracing algorithms are used and compared to evaluate the impact of each resource in the net-work. Finally, the MW-mile method is used in the third phase of the proposed model. A distributionnetwork of 33 buses with large penetration of DER is used to illustrate the application of the proposedmodel.

Real-Time Simulation of Real-Time Pricing Demand Response to Meet Wind Variations

Recent changes of paradigm in power systems opened the opportunity to the active participation of new players. The small and medium players gain new opportunities while participating in demand response programs. This paper explores the optimal resources scheduling in two distinct levels. First, the network operator facing large wind power variations makes use of real time pricing to induce consumers to meet wind power variations. Then, at the consumer level, each load is managed according to the consumer preferences. The two-level resources schedule has been implemented in a real-time simulation platform, which uses hardware for consumer’ loads control. The illustrative example includes a situation of large lack of wind power and focuses on a consumer with 18 loads.