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Doctoral Program in Industrial and Systems Engineering (PDEIS)

Doctoral Program in Industrial and Systems Engineering (PDEIS), The increasing search for energy pathways towards climate change and social wellbeing led to a shift of strategies and policies favoring renewable energy and energy efficiency as the main pillars of the energy transition. Shaping a secure and sustainable energy future may require long-term structural changes in the current energy planning strategies, including actions on the demand-side. The present study makes several noteworthy contributions to the literature. On the whole, this research provides valuable insights into how the integration between Demand Side Management (DSM) resources and clean energy supply options might affect long-term sustainable energy plans. The relevance and the innovative aspects are related to the proposed modeling approach, which is expected to be unique concerning the proposed enhancements in a co-optimization model for long-term decision-making, recognizing the impact of short-term variability of both demand and RES supply, well suited to systems with a high share of RES and under different demand flexibility conditions. The objectives are explored for the case of the Brazilian sector, which can be justified by the following factors: (i) continental dimensions; (ii) high-RES share; (iii) vulnerability to climate change and (iv) access to data. Therefore, the Integrated Brazilian Electricity System Model (IBESM) is proposed with the main goal of supporting the development of sustainable scenarios for the electricity sector. This approach aims to answer how cost-optimal pathways would change with the inclusion of DSM strategies within the optimization model. The contribution of this research also lies in the proposition of a step-by-step methodology to estimate the Long-term Average Cost of Saved Electricity (LACoSE). Findings of this study revealed a high Demand Response (DR) potential for delaying future investments in power capacity but a limited contribution for both renewables integration and load balancing purposes. Investments including energy efficiency, are projected to be more economically valuable than investing in DR strategies alone. The proposed modeling approach would also support the decision-making process in different energy systems. The research offers significant contributions to the scientific community beyond the cases addressed in this study, not only from the possible adaptation and extension of the proposed models but also by showing the importance of the integrated supply-demand management strategy for electricity systems., A crescente busca por soluções energéticas para as mudanças climáticas e o bem-estar social culminou em alterações significativas nas estratégias e políticas, favorecendo as energias renováveis e a eficiência energética como os principais pilares da transição energética. Um futuro energético sustentável requer mudanças nas estratégias de planeamento incluindo também ações do lado da procura. No seu conjunto, esta pesquisa fornece informações importantes sobre como a integração entre a gestão da procura e tecnologias de produção de energia elétrica poderão afetar os planos energéticos de longo prazo. A relevância e os aspetos inovadores deste trabalho derivam em grande parte da modelação proposta baseada num novo modelo de co-otimização para tomada de decisão de longo prazo. Este modelo permite reconhecer o impacto da variabilidade de curto prazo da oferta e procura sendo adequado para sistemas com um elevado índice de produção por fontes renováveis e com diferentes condições de flexibilidade da procura. Os objetivos são aplicados ao caso do setor elétrico brasileiro, sendo esta opção justificada, sobretudo, pelos seguintes fatores: (i) dimensão continental; (ii) alto índice de produção renovável; (iii) vulnerabilidade às mudanças climáticas e (iv) acesso aos dados. Desse modo, propõe-se o Modelo Integrado para o Sistema Elétrico Brasileiro (em inglês, IBESM) com o objetivo principal de apoiar o desenvolvimento de cenários sustentáveis para o setor de eletricidade. A abordagem apresentada pretende contribuir para verificar de que modo a inclusão de estratégias de gestão da procura no modelo de otimização poderá impactar os cenários de longo prazo. Esta pesquisa também propõe uma metodologia para estimar o Custo Médio de Longo Prazo de Energia Economizada (em inglês, LACoSE). Os resultados indicam grande potencial da utilização de estratégias de resposta à procura (em inglês, DR) para adiar futuros investimentos em nova potência instalada. Verifica-se, no entanto, um potencial de contribuição limitado para a integração de energias renováveis e balanceamento de cargas. Os investimentos que incluam também medidas de eficiência energética tendem a ser economicamente mais interessantes do que estratégias apenas baseadas em DR. A modelação proposta tem como objetivo apoiar a tomada de decisão em diferentes sistemas elétricos. Esta pesquisa oferece contribuições para a comunidade científica que vão para além do caso analisado, não só pelo potencial de adaptação e extensão dos modelos propostos mas também pelos resultados que mostram a importância da estratégia de gestão integrada da procura e oferta nos sistema elétricos.

There have been several challenges concerning the decisions and timing of new investments in the Brazilian power electricity generation due to irreversibility characteristics and uncertainty inherent in the sector, such as the volatility of electricity prices. Large hydropower plants are getting difficult to implement in the Brazilian generation sector, primarily due to environmental concerns and political pressure. Therefore, there has been an increasing focus on investments of small-scale hydropower plants (SHP). In this context, this paper analyses the use of Real Option (RO) theory for decision-making concerning the investment in SHP’s in Brazil. This paper investigates the possibility for the entrepreneur of postponing its participation in the auctions proposed by the government. The deferral option can bring relevant value to the evaluation of SHP since the investor has the option to wait until more favorable conditions appear, e.g., better electricity prices or authorization. Therefore, the application proposed in this paper may be considered as a novel approach regarding the application of the RO theory. For this purpose, a real SHP of 7 MW of installed capacity was used as an investment case and it was assumed that the entrepreneur has the option to participate in the auctions in the next three years (2018 - 2020). A comparison of the results considering the traditional economic analysis (based on the discounted cash flows) is undertaken to evaluate the proposed approach. It can be concluded that the deferral option in participating in the auction can be considered a real option for investors and this time flexibility might bring financial advantages since the uncertainties are reduced. Furthermore, the methodology proposed in this paper has great potential to assess future SHP project evaluation and can be adapted to evaluate other power options., (undefined)

A inserção e a expansão da geração distribuída (GD) trazem desafios intrínsecos relacionados, sobretudo, a confiabilidade e operação do sistema elétrico de potência (SEP), o que resulta em uma mudança de paradigma imposta aos sistemas de distribuição de energia. Dentre os desafios e oportunidades associados à geração distribuída, destaca-se a operação ilhada dos sistemas de distribuição e microrredes. Nesse contexto, esse trabalho propõe estratégias operacionais e de controle para viabilizar a operação de sistema eólicos. O controle proposto baseia-se em uma malha de controle suplementar, adicionada à malha de controle de velocidade da unidade eólica. A malha de controle proposta consiste em uma quebra de paradigma para o controle da tensão no barramento CC, pois nos sistemas tradicionais essa tensão é normalmente controlada apenas pelo banco de baterias. Através do controle suplementar proposto, torna-se possível reduzir o número e a duração de atuações do banco de baterias, aumentando sua vida útil. Propõe-se ainda, como contribuição, uma metodologia para o dimensionamento mínimo do sistema de armazenamento de energia baseado em banco de baterias para permitir a operação ilhada autônoma de sistemas eólicos. Esse dimensionamento considera um degrau de carga máximo que deverá ser atendido pelo sistema. Por fim, as estratégias operacionais e de controle propostas em conjunto com o sistema de armazenamento de energia são avaliadas e validadas por meio de análises matemáticas e simulações no domínio do tempo utilizando o sistema proposto. Os resultados obtidos demonstraram que o controle proposto permitiu a operação autônoma de um sistema eólico baseado em gerador síncrono com conversor estático completo. The insertion and expansion of distributed generation bring about intrinsic challenges, especially concerning to the reliability and operation of the electric power system, which results in a paradigm shift imposed on power distribution systems. Among the challenges and opportunities associated to distributed generation, the islanded operation of distribution systems and microgrids has grown considerably. In this context, this paper proposes operational and control strategies to properly allow the operation of a wind generation system. The proposed control is based on a supplementary control loop, added to the speed control loop of the wind turbine. The proposed control loop consists of a paradigm shift to control the DC-link voltage, since in traditional systems the DC-link voltage is usually controlled only by the BESS. The proposed supplementary control loop reduces the number and duration of the BESS actuations. Furthermore, the proposed strategy can contribute to enhance the reliability and the life cycle of the energy storage device. This work also proposes a new methodology for minimum sizing of battery energy storage systems to allow the islanded operation of wind power systems. The methodology considers a maximum load step to be supplied by the system. Finally, the proposed control and operational strategies with the BESS are evaluated and validated throughout mathematical analysis and simulation in the time domain using the proposed system. The proposed control strategy was effective in regulating the DC-link voltage, allowing the islanded operation of a wind power system based on synchronous generator with full-size power converters.