Modeling and Management of Smart Energy Networks

"Smart grids'' identifies what future electrical network would represent: an intelligent integrated system where every device available to modify their generation/absorption is responsive, awaken of its role, eco-sensitive, flexible and interconnected with others. In this scenario, smart technologies, such as Information and Communication Technologies and smart meters, will allow interconnections and interactions among these devices that are available to participate in ancillary services; whereas a smart management system would ensure quality, reliability, efficiency, effectiveness in the supply service and the free participation in services for the grid support of these new customers. However, even if the smart grid scenario seems to be clearly defined, investigation on the management system is still required, in order to efficiently co-ordinate all distributed resources in distribution networks and to exploit the potentiality of new possible participants in the network regulation, such us energy storage devices and electrical vehicles. By the way, energy markets seem to be ideally suited to support the system operator in the co-ordination of different energy resources, also allowing the exploitation of synergy among different energy carries to increase the overall efficiency and reliability of the system. In fact, energy markets could create suitable price signals able to make responsive devices available to modify their generation/absorption to network requirements. For this reason, it seems reasonable to refer to these devices as customers. Investigations on smart management procedures for the co-ordination of different resources in energy networks is the main thread of this thesis. In particular, the importance of price signals to obtain a virtuous behavior of customers has been exploited, focusing on co-ordinated management procedures, in order to ensure the management of the complex electrical network system. In the first chapter a brief introduction to smart grids, energy markets and storage devices is provided, in order to present general background and motivation of this work. The modeling basis of the software environment developed during the PhD and used to investigate management issues in smart energy network are presented in chapter 2. Chapter 3 presents preliminary investigations on energy hub, a generation, conversion and storage center, management based on suitable price signals to optimally manage exchanges of flows among different energy vectors, in order to exploit synergy properties. In chapter 4, investigation on the management of a multi-energy vector systems through price coefficients is presented. In particular, price coefficients proportional to reference signals, that represents network requirements, have been analyzed in a decoupled management procedure between network and energy hubs with storage devices. In chapter 5, it is described how to exploit this decoupled optimisation procedure, considering aggregators of EVs as flexible distributed storage devices. In chapter 6, an innovative management procedure based on token ring philosophy, aimed to co-ordinate distributed resources, ensuring their free participation in services for the grid support is proposed. The thesis ends with chapter 7, where the most important achievements and suggests in possible future work are summarizes and discusses.

Con "smart grids'' si può identificare quello che rappresenteranno le reti elettriche del futuro, ovvero un sistema integrato ed intelligente, dove ogni dispositivo disponibile a modificare la propria generazione e il proprio assorbimento, è reattivo, attento ai segnali di prezzo, consapevole del proprio ruolo, sensibile agli aspetti ambientali, flessibile e interconnesso con gli altri. In questo scenario, tecnologie intelligenti, come i sistemi ICT (Information and Communication Technologies) e gli smart meter, permetteranno le interconnesioni e le interazioni tra questi dispositivi disponibili a partecipare nei servizi ancillari; mentre un sistema di gestione intelligente dovrebbe essere in grado di assicurare qualità, affidabilità, efficienza, efficacia nel servizio di fornitura e la libera partecipazione nei servizi per il supporto della rete di questi nuovi clienti. Sebbene lo scenario identificato dal termine "smart grids'' sembri essere chiaramente definito, risulta ancora necessario lo studio relativo al sistema di gestione fondamentale per coordinare in maniera efficiente le risorse distribuite nelle reti di distribuzione e le potenzialità introdotte da nuovi possibili participanti nella regolazione della rete, come per esempio i sistemi di accumulo e i veicoli elettrici. A questo proposito, i mercati energetici sembrano ideali per aiutare l'operatore di sistema a coinvolgere tutte le risorse energetiche nella regolazione della rete, permettendo anche lo sfruttamento della singergia tra differenti vettori energetici, allo scopo di incrementare l'efficienza e l'affidabilità generale di tutto il sistema. Infatti, i mercati energetici possono creare appropriati segnali di prezzo in grado di rendere sensibili alle esigenze della rete quei dispositivi disponibili a modificare la loro generazione e il loro assorbimento. È per questo motivo che sembra opportuno identificare questi dispositivi come clienti. Il principale filo conduttore di questa tesi è stato la ricerca di procedure intelligenti di gestione per la coordinazione di differenti risorse nelle future reti energetiche intelligenti. In particolare, è stata sfruttata l'idea chiave dell'importanza dei segnali di prezzo per ottenere un comportamento virtuoso dei clienti, concentrandosi su metodi di coordinamento in grado di assicurare con meccanismi semplici la gestione di un complesso sistema come quello della rete elettrica. Nel primo capitolo di questa tesi è presente una breve introduzione alle smart grids, ai mercati energetici e ai sistemi di accumulo, al solo scopo di presentare background e motivazioni di questo lavoro. Il capitolo 2 raccoglie le basi teoriche della modellizzazione dell'ambiente software sviluppato durante il dottorato e usato per studiare la gestione in reti energetiche intelligenti. Il capitolo 3 presenta le prime indagini sulla gestione di un energy hub, un centro di generazione, conversione e assorbimento, basata su segnali di prezzo adeguati a permettere una gestione ottima di flussi tra differenti vettori energetici, in modo da sfruttare la loro sinergia. Il capitolo 4 riporta quanto studiato per la gestione di un sistema multi-vettore energetico attraverso coefficienti di prezzo. In particolare, è stata analizzata la possibilità di utilizzare termini di prezzo proporzionali ad un segnale di riferimento che rappresenti la richiesta della rete in una gestione disaccoppiata di rete ed energy hub con sistemi di accumulo. Questa precudura di ottimizzazione disaccoppiata è stata applicata nel capitolo 5 a degli agglomerati di veicoli elettrici, intesi come sistemi di accumulo flessibili e distribuiti. Nel capitolo 6, infine, viene presentata un'innovativa procedura di gestione, basata sulla filosofia del token ring, mirata a coordinare risorse distribuite assicurando la loro libera partecipazione nei servizi per il supporto della rete. La tesi si chiude con il capitolo 7, che riassume e discute i più importanti traguardi raggiunti e suggerendo possibili lavori futuri.