Dynamic Incentives for Optimal Control of Competitive Power Systems

Technologisch herausfordernde Transformationsprozesse wie die Energiewende können durch passende Anreizsysteme entscheidend beschleunigt werden. Ziel solcher Anreize ist es hierbei, ein Umfeld idealerweise so zu schaffen, dass das Zusammenspiel aller aus Sicht der beteiligten Wettbewerber individuell optimalen Einzelhandlungen auch global optimal im Sinne eines übergeordneten Großziels ist. Die vorliegende Dissertation schafft einen regelungstechnischen Zugang zur Frage optimaler Anreizsysteme für heutige und zukünftige Stromnetze im Zieldreieck aus Systemstabilität, ökonomischer Effizienz und Netzdienlichkeit. ... mehrEntscheidende Neuheit des entwickelten Ansatzes ist die Einführung zeitlich wie örtlich differenzierter Echtzeit-Preissignale, die sich aus der Lösung statischer und dynamischer Optimierungsprobleme ergeben. Der Miteinbezug lokal verfügbarer Messinformationen, die konsequente Mitmodellierung des unterlagerten physikalischen Netzes inklusive resistiver Verluste und die durchgängig zeitkontinuierliche Formulierung aller Teilsysteme ebnen den Weg von einer reinen Anreiz-Steuerung hin zu einer echten Anreiz-Regelung. Besonderes Augenmerk der Arbeit liegt in einer durch das allgemeine Unbundling-Gebot bedingten rigorosen Trennung zwischen Markt- und Netzakteuren. Nach umfangreicher Analyse des hierbei entstehenden geschlossenen Regelkreises erfolgt die beispielhafte Anwendung der Regelungsarchitektur für den Aufbau eines neuartigen Echtzeit-Engpassmanagementsystems. Weitere praktische Vorteile des entwickelten Ansatzes im Vergleich zu bestehenden Konzepten werden anhand zweier Fallstudien deutlich. Die port-basierte Systemmodellierung, der Verzicht auf zentralisierte Regeleingriffe und nicht zuletzt die Möglichkeit zur automatischen, dezentralen Selbstregulation aller Preise über das Gesamtnetz hinweg stellen schließlich die problemlose Erweiterbarkeit um zusätzliche optionale Anreizkomponenten sicher.

Incentive mechanisms can play a pivotal role in accelerating technologically challenging transformation processes such as the energy transition. The aim of those incentives is to provide an environment where the interplay of each competitor's individually optimal actions is also globally optimal in the sense of an overall objective. The dissertation at hand presents a feedback control framework towards optimal incentive mechanisms for today's and future power systems in the triad of system stability, economic efficiency, and grid support. A key innovation of the developed control scheme is the incorporation of temporally and spatially differentiated real-time price signals that result from the solution of static and dynamic optimization problems. ... mehrInclusion of locally available measurement information, consistent co-modeling of the underlying physical network including resistive losses, and continuous-time formulation of all subsystems pave the way towards a real closed-loop incentive control framework. Particular importance is attached to a rigorous separation between market and network participants, respecting the principle of unbundling. After comprehensive analysis of the resulting closed-loop system, the control scheme is further adapted to a novel real-time congestion management system. Two case studies illustrate practical advantages of the developed approach compared to existing concepts. The port-based system modeling, the absence of any centralized control authority, and the ability for automatic, decentralized regulation of all prices across the entire network finally enable seamless extensibility by additional incentive components.