Agent-Based Framework for Simulating Evolution of Distributed Energy Resources in Energy Systems

Behovet for en omstilling af energisystemet til at være baseret på vedvarende energikilder har medført et behov for elektrificering i transport- og varmesektoren med særlig vægt på lokal distribueret elproduktion. Denne tendens forventes at fremme en stigende anvendelse af distribuerede energiressourcer (DER) blandt aktører i elsystemet. Det forventes især, at private husstande i vid udstrækning anvender teknologier såsom personlige elektriske køretøjer, varmepumper, solcellepaneler og hjemmebatterier, som gør dem i stand til at deltage aktivt i elsystemet som prosumere. Desuden introducerer det øgede optag af de fire DER-teknologier nye belastninger og generationer i elnettet, hvilket muligvis forårsager betydelige spidsbelastninger og effektudsving. Dele af det eksisterende distributionsnet er ikke nødvendigvis tilstrækkeligt dimensioneret til at understøtte fremtidige påvirkninger fra DER-teknologier, en udfordring for de distribuerede energioperatører (DSO), der skal sikre et pålideligt elnet og elforsyningssikkerhed. Fastlæggelse af lokation, omfang og karakteristika af mulige overbelastninger i nettet som følge af DER-optag er derfor centralt for at kunne planlægge nødvendige handlinger, der kan forhindre overbelastninger og netfejl. Mens der findes adskillige værktøjer til at analysere energisystemer med DER-teknologier i husstande, er antallet af tilgængelige værktøjer, der kombinerer flere forskellige DER-teknologier med en repræsentation af et eldistributionssystem og en repræsentation af innovationsvedtagelse, begrænset.

Agent-baseret modellerings- og simuleringsmetodologi anvendes i denne afhandling til at udvikle etsimuleringsframework, DERInGrid, der kan bruges til at analysere kompleksiteten og afsløre nye elektricitetsbelastninger og -genereringsmønstre forårsaget af brugen af DER-enheder i distributionsnettet. Udviklingen af det fremsatte simuleringsframework bygger på en økosystemkortlægningsmetodologi, hvor aktører og objekter i et system identificeres sammen med deres roller og relationer og opsummeres i en kortlægning af systemet. Disse elementer fra det kortlagte økosystem omsættes derefter til tilsvarende dele i det udviklede simuleringsframework i en lettilgængelig en-til-en-relation. En hjørnesten i det designede simuleringsframework er brugen af interface-konceptet fra objektorienteret programmering til at definere og begrænse, hvordan agenter i frameworket interagerer med hinanden. Denne tilgang giver en fleksibel, modulær og udvidelig simulering, hvor de agenter, der implementerer det samme interface, kan erstatte hinanden uden at ændre andre agenter i frameworket.

Det udviklede DERInGrid-framework er blevet anvendt på tre forskellige case studydistributionsnetssystemer for at validere dets egnethed til at undersøge effekten fra DERteknologier i et distributionsnet. Til dette formål er der etableret seks scenarier og et sæt hypoteser, som hver analyserer, hvordan en bestemt parameter eller egenskab påvirker de netbelastningsmønstre, der opstår i case study-systemerne. Ved at bruge resultaterne fra eksperimenterne udført ved hjælp af simuleringsframeworket, er hypoteserne blevet evalueret med succes, og DERInGrid er blevet valideret som en brugbar løsning til analyse af, hvordan distributionsnet påvirkes af DER-teknologier. Desuden blev agenterne i DER-modulet fra DERInGrid-frameworket erstattet med et sæt DER-agenter udviklet af et separat forskerhold. Ved at anvende de etablerede interfaces på dette sæt af agenter, var det muligt at indsætte dem direkte i frameworket i de oprindelige DER-agenters sted. Dette påviste, at interface-tilgangen giver modularitet til frameworket.

Bidraget fra forskningen og det udviklede DERInGrid-framework, der præsenteres i denne afhandling, er todelt:

- For det første kan frameworket anvendes som et værktøj af DSO'er til at identificere dele af distributionsnettet, der er sårbare over for overbelastninger som følge af optag af DERteknologier, og til at analysere karakteristika ved disse overbelastninger.
- For det andet fungerer frameworket som det første skridt mod et framework på større skala, der kombinerer flere sektorer i energisystemet i større geografiske, sociale og teknologiske udstrækninger.