Flexibility services for distribution network operation

Abstract

On the way towards a low carbon electricity system, flexibility has become one of the main sources for achieving it. Flexibility can be understood as the ability of a power system to cope with the variability and uncertainty of demand and supply. Both the generation-side and the demand-side can provide it. This research is focused on the role of the demand-side flexibility for providing a service to the distribution system operator, who manages the medium and low-voltage network. By activating this flexibility from the demand-side to the distribution network operator, the latter can avoid or mitigate congestions in the network and prevent grid reinforcement. This thesis starts with analyzing the current state of the art in the field of local electricity markets, setting the baseline for flexibility products in power systems. As a result of the previous analysis, the definition of flexibility is developed more specifically, considering the flexible assets to be controlled, the final client using this flexibility and the time horizon for this flexibility provision. Following the previous step, an aggregated flexibility forecast model is developed, considering a flexibility portfolio based on different flexible assets such as electric vehicles, water boilers, and electric space heaters. The signal is then modeled under a system-oriented approach for providing a service to the distribution network operator under the operation timeline on a day-ahead basis. The flexibility required by the distribution network operator is then calculated through an optimization problem, considering the flexibility activation costs and the network power flow constraints. Finally, since this scenario aims to lower the environmental impacts of the power system, its sustainability is assessed with the life-cycle assessment, considering the entire life cycle and evaluating it in terms of greenhouse gas emissions. This approach enhances the analysis of the potential role of flexibility in the power system, quantifying whether, in all cases, there is a reduction of emissions when shifting the consumption from peak hours to non-peak hours.

En el camí cap a un sistema elèctric amb baixes emissions de carboni, la flexibilitat s'ha convertit en una de les principals fonts per aconseguir-ho. La flexibilitat es pot entendre com la capacitat d'un sistema de reaccionar davant la variabilitat i la incertesa provocades per la demanda i la generació. Tant la part de la generació com el costat de la demanda tenen actius per a poder proporcionar-ho. La recerca presentada en aquest manuscrit està enfocada en el paper de la flexibilitat oferta per la demanda, per a proporcionar un servei a l'operador del sistema de distribució, que gestiona les xarxes de mitja i baixa tensió. Gràcies a l'activació de la flexibilitat de la demanda, l'operador de les xarxes de distribució pot evitar o mitigar la congestió de la xarxa i evitar-ne les inversions per a reforçar-la, així com el seu impacte ambiental. Aquesta tesi comença amb l'anàlisi de l'estat de l'art en el camp dels mercats d'electricitat locals, establint-ne la línia base per a la definició dels productes de flexibilitat en els sistemes elèctrics. Com a resultat de l'estudi anterior, la definició de flexibilitat es desenvolupa més específicament, considerant els actius flexibles que han de controlar-se, el client final que utilitza aquesta flexibilitat i l'horitzó temporal per a aquesta disposició de flexibilitat. A continuació es desenvolupa un model de predicció de flexibilitat agregada, considerant una cartera de flexibilitat basada en diferents actius flexibles, com ara vehicles elèctrics, calderes d'aigua i escalfadors elèctrics, gestionats per la figura de l’agregador. El senyal es modela sota un enfocament orientat al sistema per proporcionar un servei a l'operador de la xarxa de distribució, per un horitzó temporal corresponent a l'operació de la xarxa de mitja i baixa tensió. El resultat és un model de la flexibilitat que pot oferir l’agregador. Una vegada desenvolupat el model de flexibilitat pel costat de l’agregador, la tesi s’enfoca al càlcul de la flexibilitat requerida per l’operador de la xarxa de distribució. Això es desenvolupa mitjançant un problema d'optimització, tenint en compte els costos d'activació de la flexibilitat, la localització dels punts on s’injectarà la flexibilitat i les restriccions de flux de potència de la xarxa de distribució. Finalment, atès que aquest escenari pretén reduir l'impacte mediambiental del sistema elèctric, la seva sostenibilitat s'avalua considerant tot el cicle de vida de les tecnologies que hi participen, i avaluant-la en termes d'emissions de gasos d'efecte d'hivernacle. L'ús d'aquest enfocament millora l'anàlisi del potencial paper de la flexibilitat en el sistema elèctric, quantificant si, en tots els casos, hi ha una reducció de les emissions traslladant el consum de les hores punta a hores vall.