Implementation of demand response and analysis of different control methods

Abstract

The frequency of the electricity grid describes the power balance: when the frequency is below the nominal value, the demand is greater than the supply, whereas the situation is the opposite if the grid frequency is above the nominal value. Electricity supply and demand need to be balanced at all times, for which reserves are used. Demand response (DR) is related to supporting the power balance on the demand side.

DR is becoming increasingly significant with the introduction of more variable renewable energy in the system. Therefore, new sources of flexibility are needed. The purpose of this thesis is to implement and optimize the control algorithm for different asset types in the DR markets. The selected asset types are a battery energy storage system (BESS) and relay connected reserves. Out of the possible DR markets in Finland, frequency containment reserves for normal operation (FCR-N) is found most suitable for the selected asset types.

The control algorithm for BESS units and relay connected reserves are configured to increase the reliability of the unit, and thus the monetary benefits gained from the DR markets. The control algorithms are tested and optimized with grid frequency data from 2018.

Based on the results of simulating the control algorithm for BESS, striving for minimal unavailability is not necessarily economically feasible. The results depend on the grid conditions, therefore, a sensitivity analysis with larger frequency deviations was conducted. Additionally, the lifetime of the unit with different control parameters was analysed.

The results of implementing and simulating the control algorithm for relay connected reserves indicate that it is quite well suited for FCR-N frequency regulation. However, no definite optimal control parameters were found. Rather, the results indicate that the comparison of the control parameters should be done case by case once the technical specifications of the participating reserves are better understood.

Sähköverkon taajuus kuvaa sähkön kysynnän ja tarjonnan tasapainoa. Alitaajuustilanteissa kysyntä ylittää tarjonnan, ja vastaavasti ylitaajuustilanteissa tarjonta ylittää kysynnän. Sähkön kysyntä ja tarjonta tulee olla tasapainossa, mihin tarkoitukseen reservejä käytetään. Kysyntäjousto kuvaa sähköverkon tasapainon edistämistä kulutuspuolella.

Kysyntäjouston merkitys tulee kasvamaan tulevaisuudessa, kun uusiutuvan ja vaihtelevan energiantuotannon osuus lisääntyy. Tämän takia uusia reservejä ja reservityyppejä tarvitaan kulutuspuolella. Tämän työn tarkoitus on implementoida ja optimoida, miten erityyppisiä reservejä voi ohjata kysyntäjoustomarkkinoilla. Implementointi ja optimointi tehdään sekä sähkövarastolle että releohjatuille kuormille. Kysyntäjouston markkinapaikaksi valitaan taajuusohjattu käyttöreservi (FCR-N).

Reservikohteiden eri ohjaustapojen analysoimisella on tarkoitus lisätä reservien käytettävyyttä, ja täten saavuttaa suurempia rahallisia hyötyjä kysyntäjouston markkinapaikoilta. Ohjaustapojen toiminta testataan käyttämällä vuoden 2018 sähköverkon taajuusdataa.

Sähkövaraston ohjaustapojen simulointien perusteella reservikohteen omistaja ei saavuta maksimaalista rahallista hyötyä minimoidessaan reservikohteen epäkäytettävyyttä. Tulokset ovat kuitenkin riippuvaisia sähköverkon taajuudesta, joten herkkyysanalyysi suoritettiin taajuusvaihteluita suurentamalla. Tämän lisäksi työssä tutkittiin ohjaustapojen vaikutusta sähkövaraston elinikiään.

Releohjattujen kuormien tulokset osoittavat, että implementoitu ohjauslogiikka on soveltuva taajuussäätöön FCR-N markkinoilla. Tulosten valossa ei voida kuitenkaan yksiselitteisesti sanoa, miten releohjattuja kuormia tulisi ohjata FCR-N markkinoilla. Täten, ohjauslogiikka on analysoitava uudestaan, kun kuormien tekniset ominaisuudet tiedetään.