Hybrid model of a local electricity and flexibility market in the distribution network

Fournely, Chloe Julie Caroline (author), Gubina, Andrej Ferdo (mentor)

The integration of distributed energy resources (DERs) such as electric vehicles poses an important risk to low-voltage networks, including voltage deviations, and load congestion. Effective use of DER flexibility is essential to mitigate these network issues. This thesis proposes a novel hybrid market-based approach to voltage control and congestion management which includes two components operating alongside: a local capacity market and a local flexibility market. This hybrid market mechanism enables active power trading between low-voltage network operator and end-users, in the form of network capacity rights for the first market component and binding flexibility services for the second component. By coordinating the schedules of DERs prior to operation explicitly linking them to network constraints, the local hybrid market has the potential to defer network reinforcement, provide financial resources to the network operator for reinforcing, and constrain wholesale energy bidding to respect local network boundaries. This thesis formulates the design specifications of such market, with a focus on the efficiency of the market clearing algorithms. We explore four clearing mechanisms for active power allocation, which go beyond traditional price-based methods and aim to increase fairness among network users. We evaluate these algorithms on a real low-voltage network model over a single day under varying network constraints and priority rules. Our simulations demonstrate that clearing algorithms incorporating power flow equations outperform the copperplate model in effectively managing voltage and congestion. The number of load congestions experienced in the different scenarios were highly reduced but not fully prevented, due to the simplification of the power flow equations. The rolling-priority market mechanism proved to be the allocation which provided the highest fairness of access to network capacity and maximised the line utilisation, while respecting voltage limits.

• Language: English
• Keywords: Capacity allocation, Congestion management, Local market, Low-voltage network, Market clearing, Voltage control
• Work type: Doctoral dissertation
• Organization: FE - Faculty of Electrical Engineering
• Year: 2026
• PID: 20.500.12556/RUL-182517
• Publication date in RUL: 14.05.2026

Secondary language

• Language: Slovenian
• Title: Hibridni model lokalnega trga električne energije in prožnosti v distribucijskem omrežju

Abstract

Vključevanje razpršenih virov proizvodnje in bremen, kot so npr. električna vozila, predstavlja velik izziv za nizkonapetostna elektroenergetska omrežja, vključno s preprečevanjem odstopanj napetosti in preobremenitvami oz. prezasedenosti omrežja. Učinkovita uporaba prožnosti proizvodnih virov in bremen je bistvena za ublažitev omenjenih težav v omrežju. V tej disertaciji je predlagan nov hibridni tržni pristop za kontrolo napetosti in upravljanje prezasedenosti omrežja, ki vključuje dve vzporedno delujoči komponenti: lokalni trg omrežnih zmogljivosti in lokalni trg s prožnostjo. Prva komponenta omogoča aktivno trgovanje z električno energijo med operaterjem nizkonapetostnega omrežja in končnimi uporabniki omrežja v obliki pravic do uporabe omrežne zmogljivosti (dostopa do omrežja), druga komponenta pa omogoča zavezujo čo izrabo storitev prožnosti. Preko določitve urnikov oz. voznih redov delovanja virov prožnosti upoštevajoč omejitve omrežja ima predlagana zasnova lokalnega hibridnega trga potencial, da operaterjem omrežja omogoči odložitev investicij v ojačitve omrežja, zagotovi finančna sredstev za same ojačitve in omogoči zamejevanje trgovanja z elektriˇcno energijo na veleprodajnih trgih z upoštevanjem omejitev lokalnega dela omrežja. V disertaciji so podane specifikacije zasnove predlaganega trga, s poudarkom na učinkovitosti algoritmov za izvajanje tržnega kliringa. Obravnavani so štirje mehanizmi tržnega kliringa za dodeljevanje omrežnih zmogljivosti v smislu določitve delovne moči, ki presegajo tradicionalne metode, ki temeljijo zgolj na ceni, in katerih cilj je povečati pravičnost dostopa do omrežja med končnimi uporabniki omrežja. Algoritmi so bili testirani na realnem modelu nizkonapetostnega omrežja v obdobju enega dneva, upoštevajoč različne omejitve omrežja in različna pravila prednosti za dostop do omrežja. Rezultati izvedenih simulacij kažejo, da algoritmi tržnega kliringa, ki vključujejo izračun pretoka moči, pri napetosti in prezasedenosti po učinkovitosti presegajo klasičen poenostavljen model t. i. ≫Copperplate model≪. ˇStevilo preobremenitev v različnih scenarijih se je namreč močno zmanjšalo, vendar jih ni bilo mogoče v celoti odpraviti zaradi poenostavitve izračunov pretoka moči. Mehanizem trga z drsečo prednostjo se je izkazal kot način, ki je zagotovil največ jo pravičnost dostopa do omrežih zmogljivosti in maksimalno izkoriščenost omrežne infrastrukture, kot so to npr. vodi, ob upoštevanju predpisanih napetostnih kriterijev.

• Keywords: Dodeljevanje omrežnih zmogljivosti, Upravljanje prezasedenosti, Lokalni trg, Nizkonapetostno omrežje, Tržni kliring, Kontrola napetosti