Abstract

Both electric power systems and the transportation sector are essential constituents to modern life, enhancing social welfare, enabling economic prosperity and ultimately providing well-being to the people. However, to mitigate adverse climatological effects of emitting greenhouse gases, a rigorous de-carbonization of both industries has been set on the political agenda in many parts of the world. To this end, electrifying personal vehicles is believed to contribute to an affordable and reliable energy model that provides tolerable environmental impact. Representing an inherently flexible electricity demand, plug-in electric vehicles (PEVs) promise to facilitate the integration of variable renewable energy sources. Yet, how should the PEVs' system usage be ideally coordinated for providing benefits to electric power systems in the presence of resource scarcity? The thesis develops a model of an aggregation agent as the interface to the wholesale electricity generators, which is envisaged to be in charge of procuring energy in electricity markets, exposed to uncertainty in prices, fleet availability and demand requirements. This aggregator could coordinate the PEV charging either with direct load control (DLC), i.e., sending power set points to the individual vehicles, or with indirect load control (ILC), i.e., by sending retail price signals. Contributing to the technical literature this thesis has on the one hand proposed a two-stage stochastic linear program for the PEV aggregator's day-ahead and balancing decisions with DLC over a large fleet of PEVs, while accounting for conditional value at risk in the objective function. On the other hand, it has put forward a formulation of ILC coordination as a bi-level optimization problem given by mathematical programming with equilibrium constraints, in which 1) the upper level decisions on retail tariffs and optimal bidding in electricity markets are subject to 2) the lower level client-side optimization of PEV charging schedules. These decisions may respect a potential discomfort that could arise when PEV users have to deviate from their preferred charging schedule. Set in an existing, real medium voltage distribution network with urban characteristics and spatial PEV mobility, network UoS tariffs for capacity have been applied to both DLC and ILC scheduling by a PEV aggregator. Både elkraftsystem och transportsektorn är nödvändiga komponenter av vårt moderna liv – de förstärker den sociala välfärden, möjliggör ekonomisk framgång och bidrar slutligen med välmående för folket. För att undvika skadliga klimateffekter av utsläppta växthusgaser har en rigorös utfasning av fossila bränslen inom båda dessa sektorer prioriterats på politiska agendor runtom i världen. På så vis förväntas elektrifieringen av personbilar bidra till en prisvärd och pålitlig energimodell som ger en acceptabel miljöpåverkan. Med en betydande flexibilitet i efterfrågan på el har elbilarna möjlighet att underlätta integrationen av förnybara energikällor. Frågan är då, hur ska elbilarnas elanvändning koordineras för att bäst bistå elkraftsystemet med hänsyn till resursbrist? Det huvudsakliga syftet med den här forskningen är att föreslå beslutsstödsverktyg som kan förbättra systemeffektiviteten genom elbilsladdning. Forskningen utvecklar en modell för en aggregatoragent som länk till grossistelproducenterna, som antas vara ansvariga för att köpa energi på elmarknaden, under osäkerhet inom priser, tillgång på bilar och efterfrågan. Aggregatorn kan koordinera elbilsladdningen antingen genom direkt efterfrågekontroll, med kraftbegräsningar för enskilda elbilar, eller genom indirekt efterfrågekontroll, men prissignaler. Den här avhandlingen har å ena sidan föreslagit ett tvåstegs stokastiskt linjärt program för elbilsaggregatorns spotmarknads- och balansbeslut med direkt efterfrågekontroll för en stor elbilsflotta, genom att ta hänsyn till conditional value at risk i målfunktionen. Å andra sidan har den tagit fram en formulering för koordinering av indirekt efterfrågekontroll som ett bileveloptimeringsproblem med jämviktsrestriktioner, där 1) de övre besluten om slutkundspriser och optimal budgivning i elmarknaderna med förbehåll för 2) den lägre optimeringen av kundoptimeringen av laddningsscheman. Dessa beslut kan åsamka möjligt obehag för elbilsanvändarna då de behöver avvika från sina föredragna laddningsscheman. Kapacitetsnätverkstariffer har tillämpats både för direkt och indirekt laddningskontroll för en elbilsaggregator, i ett existerande distributionsnätverk med urbana egenskaper och spatiala laddningsscheman för elbilar. ¿Cómo sería nuestra sociedad moderna, si no existiese el acceso generalizado a la electricidad y cómo viviríamos sin transporte motorizado? Parece muy difícil imaginar nuestras sociedades contemporáneas en países desarrollados sin los sistemas eléctricos como la columna vertebral para incrementar el beneficio social, el desarrollo económico y ultimadamente el bienestar humano. No hay duda que el sector transporte es un constituyente esencial para la vida moderna. Sin embargo, para mitigar los efectos adversos de los gases de efecto invernadero, una rigorosa descarbonización del sector eléctrico y transporte ha sido establecida en la agenda política de muchas partes del mundo. En este sentido, se espera que los vehículos contribuyan a lograr un modelo energético accesible y fiable con un impacto ambiental tolerable. Pero todavía existe una duda: ¿Exactamente cuánto deberían coordinarse los vehículos eléctricos, de tal manera que puedan proveer beneficios al sistema eléctrico en la presencia de escasez de recursos? El principal objetivo de esta investigación es proponer herramientas de soporte que puedan mejorar la eficiencia de todo el sistema a través de la carga de vehículos eléctricos. Un agente agregador podría ser el interfaz con el mercado mayorista de electricidad en la cual el agregador está encargado de comprar energía en los mercados eléctricos exponiéndolo a la incertidumbre de precios, la disponibilidad de la flota de vehículos y los requerimientos de demanda. Este agregador podría coordinar la carga de vehículos eléctricos con control directo de carga (CDC), esto es enviando consignas a los vehículos individuales, o con control indirecto de cargas (CIC), enviando señales de precios minoristas. Esta tesis contribuye con la literatura técnica en dos maneras, por un lado propone una programación lineal en dos etapas con CDC para el agregador de vehículos eléctricos que toma decisiones de oferta en el mercado diario y desvíos de energía para una flota grande de vehículos eléctricos, mientras se tiene en cuenta el valor en riesgo condicional. Por otro lado, se propone una formulación de coordinación con CIC como un problema de optimización binivel dado por una programación matemática con restricciones de equilibrio, donde 1) las decisiones del nivel superior son el diseño de las tarifas minoristas y las ofertas óptimas en los mercados, que dependen de 2) las decisiones de optimización de tiempo de carga de los vehículos eléctricos por parte de los clientes, que se da en un nivel inferior. Las tarifas de red han sido aplicadas a ambos CDC y CIC, estas tarifas están basadas en una red de distribución de media tensión con características urbanas y con movilidad de vehículos eléctricos. Zowel het elektrische energiesysteem als het transportsysteem leveren een essentiële bij-drage aan de hedendaagse samenleving: het verhogen de maatschappelijke welvaart, het toelaten van economische vooruitgang, en het verbeteren van het menselijke welzijn. Echter, om de nadelige effecten van broeikasgassen te beperken, is een verregaande decarbonisatie van beide sectoren een belangrijk politiek agendapunt geworden in verschillende delen van de wereld. De elektrificatie van personenwagens wordt geacht bij te dragen aan een betaalbaar en betrouwbaar energiemodel dat een aanvaardbare milieu impact heeft. De inherente flex-ibiliteit in de energievraag van plug-in elektrische voertuigen (PEV’s) is beloftevol voor de facilitering van de integratie van hernieuwbare energiebronnen. De vraag is: hoe kan het opladen van PEV’s het best gecoördineerd worden om voordelig te zijn voor het elektrische energiesysteem op momenten van productieschaarste? Het belangrijkste doel van dit onderzoek is om beleidsondersteunende hulpmiddelen aan te bieden, om het totale systeemrendement te verbeteren door middel van het gecoördineerd opladen van PEV’s. Het proefschrift ontwikkelt een model van een aggregatie-agent die als interface fungeert naar de groothandelsmarkt van elektriciteitsproducenten. De aggregator is verantwoordelijk voor de aankoop van de energie op deze elektriciteitsmarkten, en is bij-gevolg blootgesteld aan prijsvolatiliteiten, de beschikbaarheid van de voertuigvloot, en de vereiste energievraag. Deze aggregator kan het opladen van de PEV‘s coördineren via directe lastregeling (Direct Load Control, DLC), het verzenden van de vermogenssetpoints naar de individuele voertuigen, of via indirecte lastregeling (Indirect Load Control, ILC), het sturen van prijssignalen. De bijdrage van dit proefschrift aan de technische vakliteratuur is tweeledig. Ener-zijds wordt er een tweetraps stochastische lineaire programmatiemethode voorgesteld voor de beslissingen van de PEV aggregator op de day-ahead markt en de balanceringsmarkt, waarbij rekening gehouden wordt met het voorwaardelijke risicogehalte van de doelfunctie. Ander-zijds wordt er een formulering van de ILC-coördinatie voorgesteld, als een bi-level optimalisatie probleem dat gebaseerd is op de wiskundige programmeringsmethode met evenwichtsbeperkin-gen. Hierbij zijn er 1) de high-level beslissingen omtrent de retailtarieven en de optimale biedstrategie in de elektriciteitsmarkten, en 2) de low-level optimalisatie van de individuele PEV oplaadschema’s. Deze beslissingen kunnen een mogelijk ongemak creëren door de af-wijking van het optimale laadschema voor de PEV-gebruiker. Voor een realistisch en bestaand stedelijk middenspanning distributienetwerk en ruimtelijk PEV mobiliteitsgedrag, zijn UoS capaciteitstarieven toegepast door een PEV-aggregator, zowel voor DLC- als ILC-gebaseerde laadcoördinatie. "p"SETS Joint Doctorate"/p""p"The Erasmus Mundus Joint Doctorate in Sustainable Energy Technologies and Strategies, the SETS Joint Doctorate, is an international programme run by six institutions in cooperation:"/p""p"• Comillas Pontifical University, Madrid, Spain"/p""p"• Delft University of Technology, Delft, the Netherlands"/p""p"• Florence School of Regulation, Florence, Italy"/p""p"• Johns Hopkins University, Baltimore, USA"/p""p"• KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden"/p""p"• University Paris-Sud 11, Paris, France"/p""p"The Doctoral Degrees provided upon completion of the programme are issued by Comillas Pontifical University, Delft University of Technology, and KTH Royal Institute of Technology."/p""p"The Degree Certificates are giving reference to the joint programme. The doctoral candidates are jointly supervised, and must pass a joint examination procedure set up by the three institutions issuing the degrees."/p""p"This Thesis is a part of the examination for the doctoral degree."/p""p"The invested degrees are official in Spain, the Netherlands and Sweden respectively."/p""p"SETS Joint Doctorate was awarded the Erasmus Mundus excellence label by the European Commission in year 2010, and the European Commission’s Education, Audiovisual and Culture Executive Agency, EACEA, has supported the funding of this programme"/p""p"The EACEA is not to be held responsible for contents of the Thesis."/p""p"QC 20150923