Grid and system-oriented use of flexibility provided by energy communities

Abstract

In the current energy transition scenario, the power system has been incorporating actions aimed at decentralizing energy generation, digitalizing the system, decarbonizing, dereg- ulating and democratizing access to electricity. The concept of an energy community (EC) matches these aspects, promoting sustainability and increasing flexibility. The aim of this dissertation is to develop a control model for an EC that encompasses three different levels of flexibility and incentives for the use of flexibility. The simulated EC operates exclusively with renewable energy sources, uses a battery energy storage system (BESS) and integrates an electric vehicle (EV). Power dispatch was implemented using rule-based and optimization methods based on mixed-integer linear programming. The EC is inserted into the energy market, allowing transactions with the grid using a real-time tariff. Economic viability was assessed by calculating the daily operating cost. The main objective of the optimization was to minimize costs while prioritizing the use of available renewable resources. The analysis was conducted considering four days rep- resentative of the seasons. Scenarios of excess generation and low demand, along with low generation and high demand, were simulated to validate the proposed methodology. The three levels of flexibility were configured using adjustable parameters, including the initial and final state of charge of the BESS, the weighting coefficients for charging and discharging the BESS and the EV. These levels range from F1, the most flexible, to F3, the most conservative. Incentives in the form of rewards were introduced in accordance with the EC use of flexibility. In addition, an analysis of the voltage levels on the EC buses was performed, verifying compliance with the normative standards. The results demonstrated that the optimization model was more efficient in managing energy, guaranteeing that loads were met throughout the period analyzed. The EC's rev- enue increased by 30% in the worst-case scenario and exceeded three times the revenue, in the most beneficial scenario when using the optimized method. The behavior of BESS and EV was crucial both technically and economically, as the strategy of charging in times of surplus or low tariffs and discharging in times of deficit or high prices increased flexibility and reduced costs. In all scenarios, voltages remained within regulatory limits, even under extreme conditions. The proposed model has been shown to promote flexibil- ity and efficiency, ensuring safe operation in alignment with sustainability objectives.

Im aktuellen Szenario der Energiewende umfasst das Stromsystem Maßnahmen zur Dezentralisierung der Energieerzeugung, zur Digitalisierung des Systems, zur Dekarbonisierung, zur Deregulierung und zur Demokratisierung des Zugangs zu Strom. Das Konzept einer Energiegemeinschaft (EC) entspricht diesen Aspekten, fördert die Nachhaltigkeit und erhöht die Flexibilität. Das Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung eines Steuerungsmodells für eine EC mit drei Flexibilitätsebenen und Anreizen für die Nutzung der Flexibilität. Die simulierte EC nutzt ausschließlich erneuerbare Energiequellen, ein Batteriespeichersystem (BESS) und ein Elektrofahrzeug (EV). Der Energieeinsatz wurde regelbasiert implementiert und mit gemischt-ganzzahliger linearer Programmierung optimiert. Die EC ist in den Energiemarkt eingebunden, ermöglicht Netztransaktionen zu Echtzeittarifen und bewertet die Wirtschaftlichkeit anhand der täglichen Betriebskosten. Ziel der Optimierung war es, Kosten zu minimieren und die Nutzung erneuerbarer Ressourcen zu maximieren. Die Analyse umfasste vier repräsentative Tage der Jahreszeiten. Szenarien mit überschüssiger Erzeugung bei geringer Nachfrage sowie mit niedriger Erzeugung bei hoher Nachfrage wurden simuliert. Drei Flexibilitätsebenen (F1 bis F3) wurden anhand einstellbarer Parameter definiert, darunter der Ladezustand des BESS und Gewichtungskoeffizienten für Lade- und Entladeprozesse. F1 ist die flexibelste, F3 die konservativste Stufe. Anreize in Form von Belohnungen wurden in Übereinstimmung mit der EC-Flexibilitätsregelung eingeführt. Zusätzlich wurde eine Spannungsanalyse durchgeführt, um die regulatorischen Vorgaben einzuhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Optimierung effizient war, erneuerbare Ressourcen priorisierte, Kosten senkte und die Spannungsniveaus innerhalb der Grenzwerte blieben, selbst unter extremen Bedingungen. Die Ergebnisse zeigten, dass das Optimierungsmodell ein effizientes Energiemanagement ermöglichte und garantierte, dass die Lasten während des gesamten analysierten Zeitraums gedeckt wurden. Die Einnahmen der EC stiegen bereits im ungünstigsten Fall um 30 % und überstiegen im günstigsten Fall das Dreifache, wenn die optimierte Methode angewendet wurde. Das Verhalten von BESS und EV war sowohl technisch als auch wirtschaftlich von entscheidender Bedeutung, da die Strategie des Ladens in Zeiten mit Überschuss oder niedrigen Tarifen und des Entladens in Zeiten mit Defizit oder hohen Preisen die Flexibilität erhöhte und die Kosten reduzierte. In allen Szenarien blieben die Spannungen selbst unter extremen Bedingungen innerhalb der gesetzlichen Grenzen. Es hat sich gezeigt, dass das vorgeschlagene Modell Flexibilität und Effizienz fördert und einen sicheren Betrieb im Einklang mit den Nachhaltigkeitszielen gewährleistet.

No cenário atual de transição energética, o sistema de potência vem incorporando ações visando descentralizar a geração de energia, digitalizar o sistema, descarbonizar, desre- gular e democratizar o acesso à eletricidade. O conceito de comunidade energética (EC) se encaixa com esses fatores, promovendo a sustentabilidade e elevando a flexibilidade. O objetivo desta dissertação é desenvolver um modelo de controle para uma EC que abrange três níveis distintos de flexibilidade e incentivos para o uso da flexibilidade. A EC simulada opera exclusivamente com fontes renováveis de energia, utiliza um sistema de armazenamento de energia em baterias (BESS) e integra um veículo elétrico (EV). O despacho de potência foi implementado por meio do método baseado em regras e de um método de otimização fundamentado em programação linear inteira mista. A EC está in- serida no mercado de energia, permitindo transações com a rede utilizando uma tarifa de tempo real. A viabilidade econômica foi avaliada, calculando o custo diário de operação. O objetivo principal da otimização foi minimizar os custos enquanto priorizava o uso de recursos renováveis disponíveis. A análise foi realizada considerando quatro dias repre- sentativos das estações do ano. Foram simulados cenários de excesso de geração e baixa demanda, bem como de pouca geração com alta demanda, para validar a metodologia proposta. Os três níveis de flexibilidade foram configurados através de parâmetros ajus- táveis, sendo eles o estado de carga inicial e final do BESS, coeficientes de ponderação para carga e descarga do BESS e do EV. Esses níveis variam de F1, mais flexível, a F3, mais conservador. Incentivos na forma de recompensas foram introduzidos de acordo com o uso da flexibilidade pela EC. Além disso, foi realizada uma análise dos níveis de tensão nas barras da EC, verificando a conformidade com os padrões normativos. Os resultados mostraram que o modelo de otimização foi mais eficiente no gerenciamento da energia, garantindo o atendimento às cargas durante todo o período analisado. A re- ceita da EC aumentou 30% no pior cenário e atingiu um valor superior a três vezes a receita no cenário mais favorável, utilizando o método com otimização. O comporta- mento do BESS e do EV foi crucial tanto técnica quanto economicamente, pois a estraté- gia de carga em momentos de excedente ou tarifas baixas e descarga em períodos de déficit ou preços elevados aumentou a flexibilidade e reduziu os custos. Em todos os cenários, as tensões permaneceram dentro dos limites regulamentares, mesmo em condi- ções extremas. O modelo proposto demonstrou promover flexibilidade e eficiência, asse- gurando uma operação segura e alinhada aos objetivos de sustentabilidade.