Optimal Control of Regulated and Liberalized Power Systems: A Passivity-based Approach

Optimierung ist seit Beginn der Verbreitung elektrischer Energie ein zentrales Werkzeug für die Planung und den Betrieb von Energiesystemen. Der aktuell stattfindende Übergang zu erneuerbaren Energien, motiviert durch den Wunsch nach Klimaneutralität, stellt jedoch erhebliche Herausforderungen für den Betrieb von Energiesystemen dar. Die Volatilität erneuerbarer Energien führt zusammen mit den bestehenden Marktregulierungen, die auf vorhersehbare Einspeisungen ausgelegt sind, zu immer größer werdenden Stabilitätsproblemen und einer ineffizienten Betriebsweise. Diese Dissertation zielt darauf ab, optimierungsbasierte Regelungskonzepte zu entwickeln, die speziell darauf ausgelegt sind, die Herausforderungen zukünftiger Energiesysteme zu bewältigen. ... mehrDie Beiträge dieser Dissertation reichen von formalen theoretischen Methoden bis hin zu deren Anwendung in elektrischen Energiesystemen. Zum einen werden grundlegende Beiträge zu Optimierungstheorie präsentiert, in denen lokale Designanforderungen für Optimalität und Konvergenz in der verteilten Optimierung entwickelt werden. Zum anderen werden zwei konkrete Regelungskonzepte für Stromnetze vorgeschlagen, die die Herausforderungen zukünftiger Energiesysteme adressieren. Diese Regelungskonzepte unterscheiden sich konzeptuell: Das erste Regelungskonzept führt zu einem vollständig regulierten Energiesystem, in dem einzelne Akteure keine eigenen Ziele verfolgen. Das zweite Regelungskonzept führt das im Rahmen dieser Dissertation entwickelte, neuartige Konzept der passivitätsbasierten ökonomischen (engl. economic) Ports ein und resultiert in einem liberalisierten Energiesystem. Diese beiden Regelungskonzepte werden verglichen und ihre Vorteile und Nachteile werden in verschiedenen Szenarien diskutiert. Alle entwickelten theoretischen Methoden und praktischen Regelungskonzepte dieser Dissertation nutzen die Passivitätstheorie. Die Kombination von Passivitätstheorie und Optimierung, die im Kern dieser Dissertation verankert ist, liefert einen Beitrag hin zu einer effizienten und stabilen Regelung zukünftiger Energiesysteme.

Optimization has played a central role in the planning and operation of power systems since the inception of electric energy. Nowadays, the ongoing transition towards renewable energy introduces significant challenges for current power system operations. The unpredictable nature of renewable sources, combined with existing market regulations, has led to declining system stability and operational inefficiencies. This thesis develops optimization-based control frameworks specifically designed to address these emerging challenges in both present and future power systems. The contributions span from formal theoretical advancements to practical implementations. ... mehrOn one hand, the thesis presents fundamental contributions to optimization algorithms, employing passivity theory to establish local design criteria for optimality and convergence in distributed optimization. On the other hand, it proposes two distinct control frameworks tailored to future power systems. The first framework envisions a regulated power system, where individual agents do not pursue profit-driven objectives. The second framework introduces the novel concept of passivity-based economic ports, enabling a liberalized power system. These frameworks are compared, and their respective strengths and weaknesses in various scenarios are discussed. All control frameworks and theoretical results presented in this dissertation leverage passivity theory. The integration of passivity theory and optimization, which forms the core of this work, provides a pathway toward efficient and stable control of future power systems.