Competitive Microgrid Electricity Market Competitive Microgrid Electricity Market Design ... graduate

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Competitive Microgrid Electricity Market Competitive Microgrid Electricity Market Design ......

  •    

    Competitive Microgrid Electricity Market Design 

     

     

     

    Sai Krovvidi 

     

    Thesis submitted to the Faculty of the 

    Virginia Polytechnic Institute and State University 

    in partial fulfillment of the requirements for the degree of 

     

    Master of Science 

    in 

    Electrical Engineering 

     

    Saifur Rahman, Chair 

    Manisa Pipattanasomporn 

    Chang‐Tien Lu 

     

     

     

    Arlington, Virginia 

     

     

    Keywords: Community Microgrids, Reputation Score, Trustworthiness, Electricity Transaction, Day‐

    Ahead Energy Market, Energy Bidding, Hourly Generation Offers, Demand Bids       

    Copyright 2010, Sai Krovvidi   

       

  •    

    ii   

    Competitive Microgrid Electricity Market Design 

     

    Sai Krovvidi   

    ABSTRACT  The  electric  power  grid  forms  the  foundation  for  several  other  critical  infrastructures  of 

    national importance such as public health, transportation and telecommunication systems, to 

    thrive. The current power grid runs on the century‐old technology and faces serious challenges 

    of  the 21st  century  ‐  Ever‐increasing demand  and  the need  to  provide  a  sustainable way  to 

    meet the growing demand, increased requirement of resilience against man‐made and natural 

    disasters,  ability  to  defend  against  cyber  attacks,  increasing  demand  for  reliable  power, 

    requirement  to  integrate with alternate energy generation and storage  technologies.  Several 

    countries, including the United States, have realized the immediate need to modernize the grid 

    and to pursue the goal of a smart grid. 

    Majority of recent grid modernization efforts are directed towards the distribution systems to 

    be able to meet these new challenges. One of the key enablers of a fully functional Smart Grid 

    are  microgrids  –  subsystems  of  the  grid,  utilizing  small  generation  capacities  at  the 

    distribution system level to increase the overall reliability and power quality of the local grid. 

    It  is  one  of  the  key  directions  recommended  by  national  electric  delivery  technologies 

    roadmap in United States as well as policy makers for electricity delivery in many countries. 

    Microgrids have witnessed serious research activity  in the past few years, especially  in areas 

    such as multi‐agent system (MAS) architectures for microgrid control and auction algorithms 

    for  microgrid  electricity  transaction.  However,  most  of  the  prior  research  on  electricity 

    transaction  in  microgrids  fails  to  recognize  and  represent  the  true  nature  of  the microgrid 

    electricity market. 

    In this research, a comprehensive microgrid electricity market has been designed, taking into 

    account  several  unique  characteristics  of  this  new  market  place.  This  thesis  establishes  an 

    Sai Krovvidi Stamp

  •    

    iii   

    economic  rationale  to  the  vision  of wide‐scale  deployment  of microgrids  serving  residential 

    communities  in  near  future  and  develops  a  comprehensive  understanding  of  microgrid 

    electricity market.   A  novel  concept  of  Community Microgrids  is  introduced  and  the market 

    and business models for electricity transaction are proposed and validated based on economic 

    forecasts of key drivers of distributed generation. 

    The  most  important  contribution  of  this  research  deals  with  establishing  a  need  for  a 

    trustworthy model framework for microgrid market and introducing the concept of reputation 

    score to market participants. 

    A framework of day‐ahead energy market (DAEM) for electricity transaction, incorporating an 

    approach  of  using  the  reputation  score  to  incentivize  the  sellers  in  the  market  to  be 

    trustworthy, has been designed and implemented in MATLAB with a graphical user interface 

    (GUI). Current implementation demonstrates a market place with two sellers and nine buyers 

    and is easily scalable to support multiple market participants.  

    The proposed microgrid electricity market may spur the deployment of residential microgrids, 

    incorporating distributed generation, thereby making significant contribution to increase the 

    overall reliability and power quality of the local grid. 

       

     

     

     

     

     

     

     

     

  •    

    iv   

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    To my Brother 

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

  •    

    v   

    Acknowledgement 

    I pay my utmost gratitude to Babuji for his grace and blessings.   

    It has been a very long journey… yet a very beautiful one! 

    It  would  just  not  have  been  possible  without  the  kind  of  support  Prof.  Saifur  Rahman  has 

    extended to me at every stage in the last 7 years. He stood by me even after a 5 year gap in my 

    graduate education and did everything to make sure I am able to resume my Master’s program.  

    He encouraged me and let me pursue the topic of my interest, while providing his invaluable 

    ideas.  He set tough benchmarks which I strived to meet. I do not know how to thank him – Sir, 

    I shall always remain grateful to you. 

    I  thank my  other  advisory  committee members;  Dr. Manisa  Pipattanasomporn  for  her  help, 

    encouragement and suggestions throughout my work and Dr. Chang‐Tien Lu for his support. 

    Yonael is a fantastic person to work with. He has been my brother, guide and a counselor and 

    without  his  help  at  every  stage,  I  would  not  have  got  the  opportunity  to  write  this 

    acknowledgement.   

    I  thank Matthew Unger  for his  insightful  thoughts and comments  on my work.  I  express my 

    sincere  thanks  to  Michael  Stadler  and  Chris  Marnay  of  Lawrence  Berkeley  National  Labs 

    (LBNL) for their support on DER‐CAM during my work. 

    I express my sincere gratitude to Dr. K. Madhava who has supported me immensely through a 

    tough phase of my life. 

    In  this  journey,  I made  some very  special  friends,  for  life – Naveen, Praveen and Phani. And 

    some new friends at Daily Grind – Omar, Mahmoud, Elisa, Ana and Olga and some more at sutta 

    breaks – Prem, Chafik, Manish and Niro. I always had the support of my long‐term buddies in 

    Natasha,  Sahiti  and  Suhas.  It  was  great  to  work  with  Hassan,  Elgammal,  Ibrahima,  Reza, 

    Sixiang, Tianshu, Nancy – Guys, ARI is where my heart will always be! 

    Lastly, I express my deep love and affection for my family, which lives for me!  

  •    

    vi   

    Table of Content 

     

    Dedication ...................................................................................................................................................... iv 

    Acknowledgement ....................................................................................................................................... v 

    Table of Content ........................................................................................................................................... vi 

    Table of Figures ............................................................................................................................................ x 

    Table of Tables ............................................................................................................................................ xii 

    Chapter 1 ......................................................................................................................................................... 1 

    Introduction ................................................................................................................................................... 1 

    1.1 Smart Grid and Microgrids .............................................................................................................................. 1 

    1.2 Thesis Statement ................................................................................................................................................. 5 

    1.3 Organization of the thesis ....