Market oriented model of multiple microgrid distribution system considering quality of electric energy supply

AŠČERIĆ, AMER (avtor), Čepin, Marko Tomaž (mentor)

The ongoing transformation of electric power systems, driven by the rapid expansion of renewable energy sources and the decentralization of generation, has fundamentally altered the operational paradigm of distribution networks. Traditionally designed for passive operation and unidirectional power flows, modern distribution systems increasingly host distributed generation units, energy storage systems, and interconnected microgrids. This transition introduces bidirectional power exchange, operational variability, and stronger coupling between technical constraints and market dynamics. Consequently, ensuring system reliability and maintaining acceptable quality of supply under high renewable penetration has become a critical challenge. This dissertation investigates the feasibility and effectiveness of a market-oriented coordination framework for multi-microgrid distribution systems. The central objective is to develop and validate an integrated operational model that enhances distribution system reliability and quality of supply while simultaneously generating economic benefits for key stakeholders, including distribution system operators and microgrid owners. Particular emphasis is placed on the role of energy storage systems as enablers of flexibility-based congestion management and providers of distribution-level ancillary services encompassing both active and reactive power dispatch. Modern battery inverters are capable of independently controlling active and reactive power output, enabling simultaneous management of thermal and voltage constraints through a single coordinated optimization framework. The proposed framework integrates reliability assessment, market-oriented coordination mechanisms, and optimization-based microgrid operation within a unified analytical structure. Reliability indicators related to line loading and voltage constraints are explicitly embedded into the optimization model rather than treated as post-processing metrics. A penalty-based mechanism internalizes the economic consequences of congestion, voltage violations, and unserved energy, thereby translating technical system needs into market-oriented signals. Coordinated energy storage dispatch is employed as the primary control lever for mitigating thermal overloads and supporting voltage stability while preserving microgrid autonomy. The methodological approach combines power system modelling with simulation-based analysis over an annual time horizon. Due to the non-linear and non-convex nature of the optimization problem, a genetic algorithm is implemented to determine coordinated storage operation schedules under dynamic price signals and network constraints. Comparative evaluation between reference and coordinated scenarios enables quantitative assessment of both technical and economic impacts. The results demonstrate that distribution line congestion represents a particularly significant mechanism influencing overall quality of supply affecting overall quality of supply, while voltage violations exhibit strong correlation with congestion events, indicating substantial coupling between thermal constraints and voltage quality. Coordinated microgrid operation significantly reduces the frequency and severity of overload events, leading to measurable improvements in system reliability and voltage performance. The improvement in voltage constraint compliance is directly attributable to the combined effect of active power reshaping, which reduces resistive voltage drops along distribution feeders, and reactive power dispatch by storage inverters, which provides direct voltage regulation support at critical buses. These technical improvements directly translate into reduced penalty-related costs for the distribution system operator and enhanced economic performance for microgrid owners through flexibility compensation mechanisms. Furthermore, reduced thermal stress on network components indicates the potential for postponing infrastructure reinforcement investments, positioning coordinated microgrid flexibility as a viable non-wire alternative to conventional grid expansion. The integrated findings confirm that reliability enhancement and economic efficiency are mutually reinforcing outcomes within a properly designed market-oriented coordination framework. By aligning stakeholder incentives with distribution system constraints, the proposed approach provides a technically robust, economically rational, and scalable solution for managing active distribution systems with high penetration of interconnected microgrids.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: Active distribution systems, Market-oriented coordination, Microgrid ancillary services, Energy storage systems, Operational reliability, Congestion management, Voltage regulation, Reactive power dispatch, Genetic algorithm optimization, Local flexibility markets
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Organizacija: FE - Fakulteta za elektrotehniko
• Leto izida: 2026
• PID: 20.500.12556/RUL-189414
• Datum objave v RUL: 06.10.2026

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Tržno usmerjeni model distribucijskega sistema z več mikro omrežji z upoštevanjem kakovosti oskrbe z električno energijo

Izvleček

Nenehna preobrazba elektroenergetskih sistemov, ki jo poganjata hitro širjenje obnovljivih virov energije in decentralizacija proizvodnje, je temeljno spremenila obratovalno paradigmo distribucijskih sistemov. Sodobni distribucijski sistemi, ki so bili prvotno zasnovani za pasivno delovanje in tokove moči predvsem v eni znani smeri, danes vse pogosteje vključujejo razpršene proizvodne enote, sisteme za shranjevanje energije in medsebojno povezana mikro omrežja. Ta prehod prinaša izmenjavo moči včasih v eno in včasih v drugo smer, večjo obratovalno variabilnost ter močnejšo povezanost med tehničnimi omejitvami in tržnimi dinamikami. Posledično je zagotavljanje zanesljivosti sistema in ohranjanje ustrezne kakovosti oskrbe pri visokem deležu obnovljivih virov postalo ključen izziv. Disertacija preučuje izvedljivost in učinkovitost tržno usmerjene metode za distribucijske sisteme z več mikro omrežji. Osrednji cilj sta razvoj in validacija integriranega modela obratovanja, kar izboljšuje zanesljivost distribucijskega sistema in kakovost oskrbe ter hkrati ustvarja ekonomske koristi za ključne deležnike, vključno z operaterji distribucijskih sistemov in lastniki mikro omrežij. Poseben poudarek je namenjen vlogi sistemov za shranjevanje energije kot deležnikov obvladovanja preobremenjenosti vodov na podlagi fleksibilnosti ter kot ponudnikov sistemskih storitev na distribucijski ravni z upoštevanjem reguliranja tako delovne kot jalove moči. Sodobni razsmerniki baterij so sposobni neodvisno krmiliti delovno in jalovo moč, kar omogoča hkratno upravljanje toplotnih in napetostnih omejitev v okviru enega samega koordiniranega optimizacijskega okvira. Predlagana metoda združuje oceno zanesljivosti, tržno usmerjene mehanizme koordinacije in optimizirano obratovanje mikro omrežij v enotno analitično strukturo. Kazalniki zanesljivosti, ki so povezani z obremenitvijo vodov in napetostnimi omejitvami, so neposredno vključeni v optimizacijski model in niso obravnavani kot naknadni analitični kazalniki. Metoda ekonomsko penalizira preobremenjeost vodov v elektroenergetskem sistemu, napetostne kršitve in nedobavljenost električne energije odjemalcem ter tako prevaja tehnične potrebe sistema v tržno usmerjene spodbude. Usklajeno upravljanje sistemov za shranjevanje energije z delovno in jalovo močjo predstavlja osrednji mehanizem za zmanjševanje toplotnih preobremenitev in podporo napetostni stabilnosti ob hkratnem ohranjanju avtonomije mikro omrežij. Metoda združuje modeliranje elektroenergetskega sistema s simulacijami na letnem časovnem intervalu. Zaradi nelinearne in nekonveksne narave optimizacijskega problema je uporabljen genetski algoritem za določanje usklajenega časovno spremenljivega delovanja sistemov za shranjevanje energije ob dinamičnih nivojih cen in ob tehničnih omejitvah elektroenergetskega sistema. Primerjalna analiza med referenčnim in koordiniranim scenarijem omogoča kvantitativno oceno tehničnih in ekonomskih učinkov. Rezultati kažejo, da preobremenjenost distribucijskih vodov predstavlja dominantni mehanizem, ki vpliva na splošno kakovost oskrbe z električno energijo, medtem ko napetostne kršitve kažejo močno povezanost z dogodki preobremenitve, kar kaže na izrazito povezanost med toplotnimi omejitvami in kakovostjo napetosti. Usklajeno obratovanje mikro omrežij bistveno zmanjšuje pogostost in intenzivnost preobremenitev, kar vodi k merljivemu izboljšanju zanesljivosti sistema in napetostne stabilnosti. Izboljšanje skladnosti z napetostnimi omejitvami je neposredno pripisati kombiniranememu učinku preoblikovanja delovne moči, ki zmanjšuje rezistivne padce napetosti vzdolž distribucijskih izvodov, ter reguliranju jalove moči s strani razsmernikov sistemov za shranjevanje energije, ki zagotavlja neposredno podporo napetostni regulaciji na kritičnih vozliščih. Te tehnične izboljšave se neposredno odražajo v zmanjšanju stroškov penalov operaterja distribucijskega sistema ter izboljšani ekonomski učinkovitosti mikro omrežij preko mehanizmov nadomestil za fleksibilnost obratovanja. Poleg tega zmanjšana toplotna obremenitev komponent elektroenergetskega sistema nakazuje možnost odložitve investicij v ojačitve infrastrukture, pri čemer usklajena fleksibilnost mikro omrežij predstavlja učinkovito alternativo tradicionalni širitvi elektroenergetskega sistema. Integrirane ugotovitve potrjujejo, da sta izboljšanje zanesljivosti in ekonomska učinkovitost medsebojno povezana rezultata ustrezno zasnovane tržno usmerjene metode. Z usklajevanjem interesov deležnikov z omejitvami distribucijskega sistema predlagana metoda ponuja tehnično utemeljeno, ekonomsko racionalno in razširljivo rešitev za upravljanje aktivnih distribucijskih sistemov z visokim deležem časovno spremenljivih obnovljivih virov in medsebojno povezanih mikro omrežij.

• Ključne besede: Aktivni distribucijski sistemi, Tržno usmerjena koordinacija, Sistemske storitve mikroomrežij, Sistemi za shranjevanje energije, Obratovalna zanesljivost, Obvladovanje preobremenjenosti, Regulacija napetosti, Reguliranje jalove moči, Optimizacija z genetskim algoritmom, Lokalni trgi s prožnostjo