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Theses Year : 2021

Optimal Energy Storage System Management in Telecommunications Networks under Energy Market Incentives

Gestion optimale des systèmes de stockage d'énergie dans les réseaux de télécommunications pour l'intégration de mesures incitatives des marchés de l'énergie

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Abstract

The use of batteries as backup in case of power outages is common in telecommunications networks, since they provide critical services and need to keep their services always online. These batteries are used in conjunction with antennas and other equipment, and strict safety usage rules must be considered in order to guarantee that they are always available in case of a power outage. Besides, the telecommunications operator could use these batteries in order to participate in the electricity market provided that the grid is reliable enough, as long as the safety usage rules are respected. Indeed, since the energy price varies over time, batteries can be used to avoid buying energy when this price is high, and recharged when the energy price is low, a behavior that will be denoted as a peak-shaving strategy. A second profitable way for a company to use its batteries is by performing load curtailments. Indeed, when the power demand of a country is greater than the production, the Transmission System Operator must take steps in order to stabilize the grid such as ask power plants to produce more energy. Another way is to ask energy-intensive consumers to reduce their consumption during a given time period (in which case they are said to perform a load curtailment), by offering them a reward in exchange. In this thesis, we consider the problem of optimizing the total energy costs using batteries installed for backup in order to participate in the energy market by performing peak-shaving and load curtailments, with the help of a proper batteries management. Our goal is to reduce the total energy operational expenses for the company, and maximize the rewards received by performing load curtailments. A study of the electricity market architecture in France is conducted to understand the demand, flexibility mechanisms and how the operational constraints in the use of batteries of a telecommunications operator interact with the energy market. We identified different challenges that were investigated individually to better understand the characteristics of the underlying optimization problem and thus to develop more efficient solving methods. For each one, mixed-integer linear programs and heuristics are then proposed to solve the related problem. Once we investigated and understood the individual challenges, we proposed mixed-integer linear programs and heuristics for the main problem of this thesis, which we prove to be NP-Hard, incorporating market energy prices and the availability of batteries. Finally, simulations based on realistic data from the French telecommunications operator Orange show the relevance of the models and heuristic proposed: these prove to be computationally efficient in solving large scale instances, resulting in significant savings and revenue through the optimized multi-battery energy storage management policies.
L'utilisation de batteries de secours en cas de coupure de courant est fréquente dans les réseaux de télécommunications, car ils fournissent des services critiques et doivent rester en ligne en permanence. Ces batteries sont utilisées en conjonction avec des antennes et d'autres équipements, et des règles strictes de sécurité d'utilisation doivent être prises en compte afin de garantir qu'elles soient toujours disponibles en cas de coupure de courant. En outre, l'opérateur de télécommunications pourrait utiliser ces batteries afin de participer au marché de l'électricité à condition que le réseau soit suffisamment fiable et que les règles de sécurité d'utilisation soient respectées. En effet, puisque le prix de l'énergie varie dans le temps, les batteries peuvent être utilisées pour éviter d'acheter de l'énergie lorsque ce prix est élevé, et être rechargées lorsque le prix de l'énergie est plus bas, un comportement appelé stratégie d'écrêtement des pointes (peak-shaving en anglais). Une deuxième façon rentable pour une entreprise d'utiliser ses batteries est d'effectuer des effacements de charge. En effet, lorsque la demande d'électricité d'un pays est supérieure à la production, le gestionnaire du réseau de transport doit prendre des mesures afin de stabiliser le réseau, par exemple en demandant aux centrales électriques de produire davantage d'énergie. Un autre moyen est de demander aux consommateurs intensifs en énergie de réduire leur consommation pendant une période donnée (on dit alors qu'ils effectuent un effacement de charge), en leur offrant une récompense en échange. Dans cette thèse, nous considérons le problème de l'optimisation des coûts totaux de l'énergie en utilisant des batteries installées pour la sauvegarde afin de participer au marché de l'énergie en effectuant des écrêtements de pointe et des effacements de charge, avec l'aide d'une gestion appropriée des batteries. Notre objectif est de réduire les dépenses totales d'exploitation de l'énergie pour l'entreprise, et de maximiser les récompenses reçues en effectuant des effacements de charge. Une étude de l'architecture du marché de l'électricité en France est d'abord menée pour comprendre les mécanismes de flexibilité de la demande et comment les contraintes opérationnelles dans l'utilisation des batteries d'un opérateur de télécommunications interagissent avec le marché de l'énergie. Nous avons identifié différents défis qui ont été explorés individuellement pour mieux comprendre les caractéristiques du problème d'optimisation sous-jacent et ainsi développer des méthodes de résolution plus efficaces. Pour chacun d'entre eux, des programmes linéaires en nombres entiers mixtes et des heuristiques sont ensuite proposés pour résoudre le problème correspondant. Après avoir exploré et compris les défis individuels, nous avons proposé des programmes linéaires en nombres entiers mixtes et des heuristiques pour le problème principal de cette thèse, que nous prouvons être NP-Dur, en incorporant les prix de l'énergie du marché et la disponibilité des batteries. Enfin, des simulations basées sur des données réalistes provenant de l'opérateur de télécommunications français Orange montrent la pertinence des modèles et de l'heuristique proposés : ceux-ci se montrent efficaces en termes de calcul pour résoudre des instances à grande échelle, et des économies et des revenus significatifs peuvent être générés grâce aux politiques optimisées de gestion du stockage d'énergie à plusieurs batteries.
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Dates and versions

tel-03676705 , version 1 (24-05-2022)

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  • HAL Id : tel-03676705 , version 1

Cite

Isaias Faria Silva. Optimal Energy Storage System Management in Telecommunications Networks under Energy Market Incentives. Other [cs.OH]. HESAM Université, 2021. English. ⟨NNT : 2021HESAC027⟩. ⟨tel-03676705⟩
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