Optimal design and operation of an Aggregated Energy System with N-1 reliability constraints

This work presents a two-stage stochastic Mixed Integer Linear Programming model for the optimization of the design and the operation of an aggregated energy system (AES) (multi-energy systems, microgrids, energy districts, etc.) serving a university campus featuring electricity and heating demands. The off-grid system design is obtained by considering a set of representative periods for both demands by means of a carefully modified k-medoids algorithm. N-1 reliability is also considered in the model, by introducing the concept of “break-up scenarios” that allows the solution of the problem to be able to meet the user demands for every possible contingency in which one of the AES’s units fails. The effect of including N-1 reliability in the model is then showed by comparing the optimal design obtained by considering such approach against one with no break-up scenarios. Moreover, applying N-1 reliability, a comparison between off-grid and on-grid condition is then proposed.

Questo lavoro presenta un modello stocastico di MILP a due stadi per l'ottimizzazione del design e del funzionamento di un sistema di energia aggregata (AES) (sistemi multienergia, microreti, distretti energetici, etc.) che serve un campus universitario, caratterizzato da domande di potenza elettrica e termica. Il design del sistema off-grid è ottenuto considerando una serie di periodi rappresentativi per entrambe le domande attraverso un algoritmo k-medoids accuratamente modificato. Il modello considera inoltre l'affidabilità N-1, introducendo il concetto di "scenari di rottura" che permette alla soluzione del problema di poter soddisfare le domande dell'utente per ogni possibile eventualità in cui una delle unità AES fallisca. L'effetto dell'affidabilità N-1 nel modello è poi mostrato confrontando il design ottimo ottenuto considerando questo approccio e quello con nessuno scenario di rottura. Inoltre, applicando il criterio dell'affidabilità N-1, viene mostrato un confronto tra la condizione off-grid e quella on-grid.