Integrated framework for the optimal participation of electric vehicle aggregators in short - term electricity markets

Abstract

The adoption of Plug-in Electric Vehicles (EVs) for the daily transport needs is already a reality in many countries worldwide. However, a mass, uncontrolled charging is expected to pose new challenges to electricity grids and electricity markets, therefore new tools for the effective charging management of EV batteries are necessary in order to transform EVs into valuable power system resources. In this thesis an innovative, hierarchical, four-level optimization framework is proposed to model the optimal participation of Electric Vehicle Aggregators (EVAs) in day-ahead and real-time energy and regulation markets in conjunction with the optimal real-time charging management of the EV fleet. The scope of the framework is to incorporate in an integrated approach all the necessary tasks that an EVA should follow for cost-efficient and reliable market participation as well as for successful EV smart charging in real-time that will satisfy the EV owners. Apart from the core optimization models two additional methodologies are developed and integrated into the framework: one that produces regulation control signal scenarios and one that updates the EV fleet status dynamically during real-time operation. The proposed framework provides a detailed analysis of the optimal EVA strategy under various electricity market designs and can be utilized in order to assess the impact of alternative electricity market designs and new market products on the performance of EVAs. A case study is presented, where four different regulation market designs are examined and the recently proposed performance-based regulation mechanism is also evaluated. Two EV fleet scenarios are examined, one that behaves as estimated and one that behaves differently than expected. The total market participation cost for an EVA is quantified and compared between the various cases. The impact of uncertain EVs behavior and the type of regulation control signal that the EVA follows are also discussed. The presented results highlight the flexibility of the proposed framework to model alternative market designs and its ability to model and evaluate the performance of the EVs charging process in second-by-second time resolution.

Η υιοθέτηση ρευματοληπτικών Ηλεκτρικών οχημάτων (ΗΟ) για τις καθημερινές ανάγκες μετακίνησης είναι μια πραγματικότητα σε πολλές χώρες ανά τον κόσμο. Ωστόσο μια μαζική, μη ελεγχόμενη φόρτιση τους αναμένεται να δημιουργήσει νέες προκλήσεις στην ορθή λειτουργία των ηλεκτρικών δικτύων και των αγορών ηλεκτρικής ενέργειας. Για τον λόγο αυτό είναι απαραίτητη η ανάπτυξη νέων εργαλείων με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση της φόρτισης των μπαταριών των ΗΟ ώστε αυτές να μετασχηματιστούν σε χρήσιμους πόρους για τη διαχείριση των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Στη παρούσα διατριβή προτείνεται ένα καινοτόμο, ιεραρχικό, τετρα-επίπεδο πλαίσιο βελτιστοποίησης με σκοπό τη μοντελοποίηση της βέλτιστης συμμετοχής των Συναθροιστών Ηλεκτρικών Οχημάτων (ΣΗΟ) στις προ-ημερήσιες αγορές ενέργειας, στις αγορές εξισορρόπησης (πραγματικού χρόνου) και στις αγορές ρύθμισης σε συνδυασμό με τη βέλτιστη διαχείριση της φόρτισης ενός στόλου ΗΟ σε πραγματικό χρόνο. Σκοπός του πλαισίου είναι η ενσωμάτωση σε μία ολοκληρωμένη προσέγγιση όλων των απαραίτητων λειτουργιών που θα πρέπει να εκτελέσει ένας ΣΗΟ για μία οικονομική και αξιόπιστη συμμετοχή στις αγορές ενέργειας και ρύθμισης καθώς και για μία επιτυχημένη έξυπνη φόρτιση των ΗΟ σε πραγματικό χρόνο που θα ικανοποιήσει τους ιδιοκτήτες των οχημάτων. Εκτός από τα κύρια μοντέλα βελτιστοποίησης αναπτύχθηκαν και ενσωματώθηκαν στο πλαίσιο δύο ακόμη εφαρμογές: Η πρώτη δημιουργεί σενάρια για το σήματα ελέγχου ρύθμισης και η δεύτερη ανανεώνει δυναμικά την κατάσταση του στόλου των ΗΟ σε πραγματικό χρόνο. Το προτεινόμενο πλαίσιο παρέχει μια αναλυτική περιγραφή της βέλτιστης στρατηγικής του ΣΗΟ σε διαφορετικούς σχεδιασμούς αγορών ηλεκτρικής ενέργειας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ώστε να αξιολογηθεί και να συγκριθεί η επίδραση εναλλακτικών σχεδιασμών της αγοράς και νέων προϊόντων της αγοράς στην απόδοση των ΣΗΟ. Παρουσιάζεται επίσης μία περιπτωσιολογική μελέτη στην οποία εξετάζονται τέσσερις διαφορετικοί σχεδιασμοί της αγοράς ρύθμισης και αξιολογείται ακόμη ο προσφάτως προτεινόμενος μηχανισμός αγοράς ρύθμισης με βάση την απόδοση. Εξετάζονται δύο στόλοι ΗΟ, ένας ο οποίος συμπεριφέρεται ακριβώς όπως εκτιμήθηκε και ένας ο οποίος συμπεριφέρεται διαφορετικά. Το συνολικό κόστος συμμετοχής του ΣΗΟ υπολογίζεται και συγκρίνεται μεταξύ των διαφορετικών σχεδιασμών. Η επίδραση της αβέβαιης συμπεριφοράς των ΗΟ και του τύπου του σήματος ελέγχου ρύθμισης επίσης εξετάζεται. Τα παρουσιαζόμενα αποτελέσματα καταδεικνύουν την ευελιξία του προτεινόμενου πλαισίου να μοντελοποιεί εναλλακτικούς σχεδιασμούς αγορών και την ικανότητα να μοντελοποιεί και να αξιολογεί την απόδοση της διαδικασίας φόρτισης των ΗΟ σε χρονική ανάλυση δευτερολέπτου.