Adaptive Robust Optimization Framework for Enhancing Power System Resilience and Decarbonization through Integration of Multi-Vector Energy Hubs. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Dissertation) Sulaiman_PhD_Dissertation_signed.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 23 June 2026. Download (2MB)

Arabic Abstract

إزالة الكربون من شبكات الطاقة قد حظيت باهتمام عالمي متزايد. ويعود هذا الاتجاه إلى الجهود المبذولة للحد من الاحتباس الحراري العالمي، والذي تسببه بشكل رئيسي الملوثات الغازية. دعماً لجهود إزالة الكربون من شبكات الطاقة، تقترح هذه الرسالة نموذجًا لدمج مراكز الطاقة (EHs) التي تشمل طرقًا متنوعة لإزالة الكربون مثل أنظمة التقاط الكربون (CCS)، ومصادر الطاقة المتجددة (RES)، ومحطات تزويد الوقود بالهيدروجين (HRS)، وتخزين الهيدروجين (HS) للمركبات العاملة بالهيدروجين (HPVs)، بالإضافة إلى تزويد هذه المركبات بالهيدروجين، وأنابيب الميثان (MPL) لإنتاج الميثان. كما يتم صياغة نموذج جديد لتعزيز مرونة شبكة الطاقة ضد الأحداث ذات التأثير العالي والتكرار المنخفض (HILF) مثل حرائق الغابات، وذلك باستخدام مصادر طاقة متنقلة ومستدامة مثل أنظمة البطاريات المتنقلة لتخزين الطاقة (MBESS) والتوربينات الهوائية المتنقلة (MWTs). أثناء صياغة النماذج، يتم تحديد الحجم الأمثل وتوزيع مكونات شبكة الطاقة، بما في ذلك مصادر الطاقة المتجددة (RESs)، ووحدات التوليد المشترك للطاقة والحرارة (CHP)، وأنظمة البطاريات (BESSs)، والتوربينات الهوائية، وتخزين الهيدروجين، وأنظمة تخزين الحرارة (TESSs)، ووحدات التقاط الكربون (CCS). ويتم تقليل تكلفة الاستثمار في هذه المكونات، وبعد تحديد أحجامها المثلى، يتم أيضًا تقليل تكاليف التشغيل. وبالتالي، يتم صياغة النماذج باستخدام نموذج التحسين القوي التكيفي على مرحلتين (ARO)، حيث يتم في المرحلة الأولى تحديد الحجم الأمثل وتوزيع المكونات، وفي المرحلة الثانية يتم تحسين تشغيلها. يتعامل نموذج ARO مع أسوأ السيناريوهات المحتملة للشكوك في إنتاج مصادر الطاقة المتجددة، والطلب على الكهرباء، والحرارة، والهيدروجين. وقد تم اقتراح خوارزمية توليد الأعمدة والقيود لحل نماذج المرحلتين. وقد أظهرت نتائج المحاكاة فعالية الطريقة المقترحة من خلال تقليل استهلاك الطاقة من الشبكة وزيادة نسبة اختراق مصادر الطاقة المتجددة مع التعامل مع تقلبات إنتاجها. وقد نجح نموذج ARO لنظام الطاقة المتكاملة (IPGS) في القضاء على انقطاع الأحمال من 31.5 ميغاواط في شبكة IEEE ذات الـ24 نقطة و60.3 ميغاواط في شبكة IEEE ذات الـ118 نقطة إلى الصفر. كما خفّض انبعاثات الكربون بنسبة 89.84\%. أما نموذج تعزيز المرونة، فقد حسّن مرونة الشبكة بمقدار 46.87 ميغاواط/ساعة أثناء انقطاع سبعة خطوط، وذلك باستخدام نظام توزيع IEEE ذي الـ33 نقطة وفقًا لمقياس المرونة Rint.

English Abstract

The decarbonization of power grids has gained global attention. This trend is due to efforts to reduce global warming, which is mainly caused by gaseous pollutants. To support the decarbonization efforts of power grids, this dissertation proposes a model for the integration of energy hubs (EHs), carbon capture systems (CCS), renewable energy sources (RES), hydrogen refuelling stations (HRS) and hydrogen storage (HS) for hydrogen-powered vehicles (HPV), hydrogen supply to hydrogen-powered vehicles (HPVs) and methane pipelines (MPL) for methane production. Also, a novel model for enhancing power grid resilience to high-impact low-frequency (HILF) events, such as wildfires, using sustainable mobile energy sources, such as mobile BESSs (MBESS) and mobile wind turbines (MWTs), is formulated. In formulating the models, the power grid components, including RESs, combined heat and power (CHP) units, BESSs, wind turbines, HSs, thermal storage systems (TESSs), and CCS units, are optimally sized and allocated. The investment cost of the components is minimized. With the optimally sized components, the operation costs are minimized. Thus, the models are formulated using a two-stage adaptive robust optimization (ARO) model where the optimal sizing and allocation of the components are done in the first stage, and their operation is optimized in the second stage. The ARO model handles the worst-case realization of uncertainties in RES output, electricity, heat, and hydrogen demands. A column and constraint generation algorithm is proposed to solve the two-stage models. Simulation results have demonstrated the effectiveness of the proposed method through reduced energy consumption from the grid and increased RES penetration while handling RES output intermittency. The ARO model for the IPGS eliminated load shedding from 31.5 MW for IEEE 24-bus and 60.3 MW for IEEE 118-bus to zero. It also reduced carbon emissions by 89.84 %. The resilience enhancement model improves grid resilience by 46.87 MWh during the outage of seven lines using the IEEE 33-bus distribution system on the Rint resilience metric scale.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Al-Ismail, F.S.
Committee Members:	Almehizia, Abdullah and Khalid, Muhammad and Abido, M. A. and Mujahid, S.N.
Depositing User:	SULAIMAN AHMAD (g201705090)
Date Deposited:	26 Jun 2025 12:00
Last Modified:	26 Jun 2025 12:00
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143576