Long-term Active Distribution Network Planning with High Shares of Distributed Energy Resources : Solution methods for planning using realistic large-scale networks

Abstract

La clave del éxito de la transición energética será la integración efectiva de los recursos energéticos distribuidos y de los nuevos proveedores de flexibilidad en el sistema energético. Sin embargo, la red de distribución, que se construyó hace varias décadas para conectar las líneas de transporte a los usuarios finales, no se diseñó para este fin. Por lo tanto, se necesitan cambios importantes. Para hacer posibles estos cambios es necesario un cambio fundamental en la forma en que se diseñan, operan y planifican los sistemas de distribución de electricidad. En la actualidad, se carece de herramientas de planificación globales que ayuden a los operadores en sus opciones de planificación de inversiones. En consecuencia, las soluciones típicas que se aplican son los refuerzos de los activos de red convencionales. Esta tesis propone un conjunto de metodologías para obtener planes de expansión de redes de distribución óptimos en costes para redes realistas a gran escala, utilizando tanto medidas de expansión convencionales como la contratación de flexibilidad a partir de la respuesta de la demanda. Estas metodologías, junto con los correspondientes casos prácticos, se presentan secuencialmente, comenzando por las correspondientes a problemas de planificación en una sola etapa, pasando a la planificación en varias etapas y, por último, abarcando la planificación en una sola etapa y en varias etapas bajo incertidumbre. El problema de optimización que nos ocupa es muy complejo, debido principalmente al tamaño de la red y al número de variables de decisión asociadas. Para resolver el problema de optimización, se aplicó la metaheurística de Tabu Search en el modelo de una sola etapa, que es el núcleo de todos los demás modelos. El caso de estudio ha demostrado que la flexibilidad puede ser una alternativa eficaz a las medidas de expansión convencionales, lo que se traduce en un importante ahorro de costes en la planificación de redes de distribución en el modelo de una sola etapa. El modelo multietapa se basa en un enfoque de planificación pseudodinámico denominado forward fill-in. Este enfoque se muestra eficaz para contabilizar el valor temporal del dinero y, por tanto, el ahorro de costes derivado del aplazamiento de las inversiones en la red, así como el valor de la contratación de flexibilidad en la planificación de la red de distribución. Por último, también se pone de relieve el valor de la flexibilidad en la planificación de la red de distribución en condiciones de incertidumbre, basándose en el estudio de un caso práctico en el que se utiliza la metodología multietapa multiescenario propuesta.

Key to a successful energy transition will be the effective integration of distributed energy resources and new flexibility providers into the energy system. However, the distribution grid, which was built several decades ago to connect transmission lines to end users, was not designed for this purpose. Major changes are therefore needed. Enabling these changes requires a fundamental shift in how electricity distribution systems are designed, operated and planned. At present, there is a lack of comprehensive planning tools to assist operators in their investment planning options. Consequently, reinforcements of conventional network assets are typical solutions implemented. This thesis proposes a set of methodologies to obtain cost-optimal distribution network expansion plans for realistic large-scale networks, using both conventional expansion measures and flexibility contracting from demand response. These methodologies, along with corresponding case studies, are presented sequentially, starting with those for single-stage planning problems, progressing to multistage planning, and finally covering single-stage and multistage planning under uncertainty. The optimisation problem is very complex due to the nonlinearity of the constraints, the combinatorial nature of the problem, the size of the network and the associated number of decision variables. To solve the optimisation problem, the Tabu Search metaheuristic was implemented in the single-stage model, which is the core of all other models. The case study has shown that flexibility can be an efficient alternative to conventional expansion measures, resulting in significant cost savings in single-stage distribution network planning. The multi-stage model is based on a pseudo-dynamic planning approach called forward fill-in. This approach is shown to be effective in accounting for the time value of money and hence cost savings from deferring network investments, as well as the value of flexibility contracts in distribution network planning. Finally, the value of flexibility in distribution network planning under uncertainty is also highlighted, based on the case study using the developed multistage multi-scenario methodology.