Analysis of demand response solutions for congestion management in distribution networks: a real case study

The need of tackling the problem of global warming has led to definition of ambitious goals and objectives regarding the energy systems across the world, leading to a quick spread of Distributed Energy Resources (DER), typically small-scale renewables, like rooftop solar. This shift from the traditional centralized energy production made by large size fossil fuels-based plants is transforming the power systems. Traditionally the distribution system operators (DSO) have maintained their network within operating bounds by physically expanding the grid, to avoid issues such as congestions. A new approach called demand response (DR) has emerged as an alternative: the congestions are solved through a voluntary power reduction made by the flexible loads located in the grid. The scope of this work is to verify the technical and economic feasibility of such solution. When a congestion on the grid is forecasted, the DSO can acquire on a local market the required flexibility. The flexible resources can bid to offer a standardized product, which is characterized by a price [€/MWh] and a quantity [MWh], representing the active power willing to be reduced for 1 hour. An algorithm was specifically developed to simulate the grid operations and the interaction with the flexible resources. The economic results of the DR solution are then compared to the results of the conventional grid extension (GE) solution. The robustness of the algorithm is tested on a series of simulations on fictitious grids with different parameters. After the methodology is validated, the same analysis is applied to the real distribution grid of Trieste, considering the loads connected at medium voltage and using as input data real historic series of energy profiles. A series of hourly simulations on a one year long time span are carried out. Firstly, the grid is considered in normal operating conditions, assuming different values of percentage increase of the electricity demand. In this case, the congestion can form only with an increase of demand of at least +20%, which according to the scenarios outlined by Terna should not happen before 15 years. Secondly, different faults are simulated in the grid with different possible re-configurations to counter-feed the loads. The results are shown to be strongly dependent on the initial condition of the specific case and on the assumptions of the frequency of the faults. Applying a conservative approach, the DR results to be more convenient than the GE in half of the cases. The simulations also show that the economic convenience of the DR increases when the length of the line, the magnitude of the congestions, the price of the bids and the frequency of congestions on a given time span decrease. The potential savings for the DSO are calculated and, on the basis of that, a further and eventual remuneration based on the capacity made available by the flexible resources is proposed.

La necessità di affrontare il problema del riscaldamento globale ha portato alla definizione di obiettivi e traguardi ambiziosi per quanto riguarda i sistemi energetici in tutto il mondo, portando a una rapida diffusione delle risorse energetiche distribuite (DER), tipicamente le fonti rinnovabili su piccola scala, come il fotovoltaico sui tetti. Questo spostamento dalla tradizionale produzione centralizzata di energia, realizzata con impianti di grandi dimensioni basati su combustibili fossili, sta trasformando radicalmente i sistemi energetici. Tradizionalmente, i gestori della rete di distribuzione (DSO) hanno mantenuto la rete entro i limiti operativi espandendo fisicamente la rete, per evitare problemi come le congestioni. Un nuovo approccio, chiamato demand response (DR), è emerso come alternativa per risolvere questo problema: le congestioni vengono risolte attraverso una riduzione volontaria della potenza da parte dei carichi flessibili situati nella rete. Lo scopo di questa tesi è verificare la fattibilità tecnica ed economica di questa soluzione. Quando si prevede una congestione sulla rete, il DSO può acquistare su un mercato locale la flessibilità necessaria. Le risorse flessibili possono fare offerte per offrire un prodotto standardizzato, caratterizzato da un prezzo [€/MWh] e da una quantità [MWh], che rappresenta la potenza attiva che si vuole ridurre. È stato sviluppato un algoritmo per simulare le operazioni di rete e l'interazione con le risorse flessibili. I risultati economici del DR vengono poi confrontati con quelli della soluzione convenzionale di estensione della rete (GE). La robustezza dell'algoritmo viene testata su una serie di simulazioni su reti fittizie con diversi parametri. Dopo aver validato la metodologia, la stessa analisi viene applicata alla rete di distribuzione reale di Trieste, considerando i carichi connessi in media tensione e utilizzando come dati di input serie storiche reali di profili energetici. Vengono effettuate una serie di simulazioni orarie su un arco temporale di un anno. In primo luogo, la rete viene considerata in condizioni di funzionamento normale, assumendo diversi valori di incremento percentuale della domanda elettrica. In questo caso, la congestione può formarsi solo con un aumento della domanda di almeno +20%, che secondo gli scenari delineati da Terna non dovrebbe verificarsi prima di 15 anni. In secondo luogo, sono stati simulati diversi guasti nella rete con diverse possibili riconfigurazioni per controalimentare i carichi. I risultati sono fortemente dipendenti dalle condizioni iniziali del caso specifico e dalle ipotesi sulla frequenza dei guasti. Applicando un approccio conservativo, la DR risulta più conveniente della GE nella metà dei casi. Le simulazioni mostrano inoltre che la convenienza economica della DR aumenta quando la lunghezza della linea, l'entità delle congestioni, il prezzo delle offerte e la frequenza delle congestioni in un determinato arco di tempo diminuiscono. Vengono calcolati i potenziali risparmi per il DSO e, sulla base di questi, viene proposta un'ulteriore ed eventuale remunerazione basata sulla capacità resa disponibile dalle risorse flessibili.