VIRTUAL POWER PLANT OPERATION OPTIMIZATION. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Dissertation - Hussein Abdellatif - EE. Dept. - May 2022) PhD Dissertation - Hussein Abdellatif - EE. Dept. - May 2022 - Nov. 10 2022.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 10 November 2023. Download (8MB)

Arabic Abstract

تعتبر محطة الطاقة الافتراضية بمثابة شبكة صغيرة تتداول الطاقة مع أسواق الكهرباء ولا تعمل في النظام المنعزل. جذبت محطات الطاقة الافتراضية الانتباه على مدار السنوات والعقود الماضية، وتم تنفيذ بعض محطات الطاقة الافتراضية عمليًا مثل محطة Next Kraftwerke، ألمانيا. قد يكون لمحطات الطاقة الافتراضية مخطط تحكم مركزي أو موزع أو شامل. بناءً على مخطط التحكم، يتم تصميم تحسين / تشغيل محطة الطاقة الافتراضية. في هذا البحث، سيتم إجراء مسح شامل للأدبيات حول نماذج البرمجة الخطية الرئيسية المستخدمة لتحسين تشغيل محطات الطاقة الافتراضية. بعد ذلك، سيتم إنشاء نموذج شامل مصمم لتحسين محطات الطاقة الافتراضية يشتمل على مولدات قابلة للتشغيل والإيقاف ومولدات غير قابلة للتشغيل والإيقاف مع الأخذ بعين الاعتبار القيود الخطية لهذه المولدات والأجزاء بناءً على النماذج التي تمت دراستها في الأدبيات. بعد ذلك، سيتم تصميم أول نموذج لنظام تحسين لتقليل التكلفة التشغيلية وزيادة الأرباح أيضًا. بالإضافة إلى ذلك، سيتم النظر في عامل الخطر من خلال استخدام القيمة المشروطة في تمثيل المخاطر. بعد ذلك، سيتم تطوير قيود خطية لتحسين الأمان في توازن طاقة النظام واختبارها من أجل إثبات فاعليتها. باستخدام قيود الأمان هذه جنبًا إلى جنب مع الأهداف السابقة، سيتم صياغة مشكلة تحسين متعددة الأهداف. يُقترح تضمين وحدة تحلية مياه كنوع حمل محدد نظرًا لأهميتها خاصة في البلدان التي تعتمد بشكل كبير على تحلية المياه مثل المملكة العربية السعودية. تمتلك وحدات تحلية المياه بنية تحتية ضخمة ويمكن أن تكون بمثابة وحدات تخزين افتراضية. هذه الأسباب تجعل من الضروري للغاية النظر في مثل هذا النوع من الأحمال والنظر في طريقة تفاعله مع الشبكة الكهربائية. ستشارك محطات الطاقة الافتراضية في كل من: سوق اليوم التالي وسوق الموازنة الحالية. تم اقتراح نظام ARIMA محسّن، كما سيتم اختبار نموذج SOS2 والذي يستخدم لتمثيل المعادلات الخطية متعددة الأجزاء الخطية في البرمجة الخطية. حيث أن التكلفة المتغيرة للمولد التقليدي يتم تمثيلها على هيئة دالة خطية متعددة الأجزاء. أخيرًا، تم اقتراح مفهوم "مجموعة محطات طاقة افتراضية" وتصميمه ومحاكاته واختباره كمفهوم جديد مقدم في هذا البحث مشابهًا لمفهوم مجموعة الشبكات الصغيرة. سيكون للتصميم النهائي المقترح في هذا البحث موثوقية عالية للغاية بحيث لا يفشل في موازنة الطاقة في أي ساعة من اليوم.

English Abstract

A virtual power plant is considered as a microgrid that trades power with the electricity markets and that does not work in an islanded scheme. Virtual power plants have attracted attention over the past years and even decades and some virtual power plants have been practically implemented such as Next Kraftwerke, Germany. Virtual power plants may have a centralized, distributed or comprehensive control scheme. Based on the control scheme, the optimization/ operation of the virtual power plant is designed. In this research, a comprehensive literature survey on the major mixed integer linear programming models on the operation optimization of the virtual power plants will be done. After that, a comprehensive virtual power plant optimization model will be constructed comprising dispatchable and non-dispatchable generators with their comprehensive constraints based on the models studied in literature. Then, the first objective optimization problem will be designed to achieve operational cost minimization and profit maximization as well. Additionally, risk factor will be considered through the use of conditional value at risk representation. Next, reliability constraints for the system power balance security will be developed and tested for effectiveness. Using those reliability constraints along with the previous objectives, a multi-objective optimization problem will be formulated. It is proposed to include a water desalination unit (WDU) as a specific load type due to its importance especially in countries that rely heavily onto water desalination such as Saudi Arabia. Water desalination units have a huge infrastructure and they can serve as virtual storage units. These reasons make it very essential to consider such type of load and to consider its way of interaction with the electrical network. The virtual power plant will participate in both the day-ahead and real-time markets. An improved auto regressive moving average model is proposed and a special-order set type two model is also tested for the representation of piecewise linear functions representation in linear programming since the conventional generator variable cost is approximated as a piecewise linear function. Lastly, a virtual power plant cluster is proposed, designed, simulated, and tested as a newly introduced concept in this research that is analogues to the microgrid cluster concept. The final design proposed in this research will have extremely high reliability such that it shall not fail to balance the power at any hour of the day.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Abido, M. A.
Committee Co-Advisor:	Awami, Ali
Committee Members:	Habiballah, I.O. and Kassas, M. and Khalid, Muhammad
Depositing User:	HUSSEIN ABDELLATIF (g200832600)
Date Deposited:	15 Nov 2022 07:06
Last Modified:	15 Nov 2022 07:06
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142231