Distributed frequency reserve provision of an aggregation of buildings

In order to maintain a constant frequency in a power grid, the amount of energy produced and consumed must be balanced at all times. One option to achieve this balance is by adjusting the power intake of large electricity consumers. The idea is that these consumers, e.g., office or residential buildings, offer a ’frequency reserve’ in the form of controllable power consumption. The grid operator can then request these reserves when needed. This work centers around the optimization-based decision by consumers on how much frequency reserve can be provided. In particular, we investigate the case where many consumers, e.g., an aggregation of buildings, collaborate to provide reserves together. We place a special focus on how to solve the resulting large-scale optimization programs in a distributed fashion, using the alternating direction method of multipliers (ADMM). We show that for the reserve provision problem the ADMM procedure has very beneficial properties, such as good scalability with the number of participating buildings and retaining feasibility. We also investigate how technical quantities from within the ADMM iteration, guaranteed feasibility, can be used to distribute the financial profit from reserve provision among the participants in the provision problem.

Per mantenere una frequenza costante in una rete elettrica, la quantità di energia prodotta e consumata deve essere sempre bilanciata. Un'opzione per raggiungere questo equilibrio è modificare l’utilizzo di corrente di grandi consumatori di elettricità. L'idea è che questi consumatori, ad esempio uffici o edifici residenziali, offrano una "riserva di frequenza" sotto forma di un consumo di energia reso controllabile. L'operatore della rete elettrica può quindi richiedere queste riserve quando necessario. Questo lavoro si focalizza sull'ottimizzazione di quanta riserva di frequenza può essere fornita dai consumatori. In particolare, si esamina il caso in cui molti consumatori (ad esempio un’aggregazione di edifici) collaborino per fornire riserve insieme. Si pone particolare attenzione su come risolvere, in maniera distribuita, il risultante problema di ottimizzazione di larga scala utilizzando il metodo “Alternating Direction Method of Multipliers” (ADMM). Si mostra che per il problema di ottimizzazione la procedura ADMM è molto vantaggiosa, sia per la buona scalabilità rispetto al numero di edifici partecipanti sia per la conservazione della fattibilità. Inoltre viene analizzato come le soluzioni ottenute per ogni iterazione del metodo ADMM, oltre alla garantita fattibilità, possano essere utilizzate per distribuire tra i partecipanti il profitto finanziario ottenuto fornendo la “riserva di frequenza”.