Aggregated Demand Response in a Virtual Power Plant: A Finnish Case Study

Abstract

The rising penetration of intermittent and inertia-free generation such as wind power and photovoltaics has increased the need for flexibility in power systems. The variable renewable energy-based generation has introduced new technical challenges to balance management as well as economical challenges to the functioning of the power markets, jeopardizing the security of the whole power system. Demand response (DR) has the possibility to respond to the short-term reliability issues as one of the cheapest tools available. The aim of this thesis is to study aggregated DR in a virtual power plant context and to examine whether a relay-activated HVAC loads can be connected to the linear FCR-N reserve market by combining different demand-side loads together.

This thesis reviewed the basic concepts of DR and virtual power plants, identified the most important DR assets and their characteristics, and described the flexibility attributes of demand-side resources for the critical evaluation of their DR potential. In addition, it assessed the potential of DR in Finland. Finally, it developed a novel aggregation framework based on coordinated control of the resource pool, and modelled two different types of resources in a case study. The case study results showed that a) the most common HVAC loads, i.e., chillers and air handling units can participate together in fast DR program such as the Finnish FCR-N successfully with the minimum impact to end-users or wear-down of the resources, and b) aggregating various demand-side loads together can provide a level of frequency regulation that none of the resources could provide individually. Furthermore, the results indicated that the share of relay-connected loads in the resource pool should be less than 50 percent of the total upregulation-capacity to comply with the FCR-N market rules.

There is a need to define a proper framework for building automation systems, including suitable standards and protocols to enable the easy participation of demandside loads in balance management. The lack of standards increases the initial costs of flexibility, reducing the full potential of DR. Moreover, most of demand-side loads utilized in DR services are not originally designed for flexible operation. Therefore, considering the costs of flexibility and the end-user acceptance for load interventions, the achievable potential of DR might be substantially lower than expected in the literature. The main new sources for flexibility in the near future consist of commercial HVAC loads and electric vehicles. In addition, energy storage systems display a high potential.

Uusiutuvien energiamuotojen kuten tuuli- ja aurinkoenergian lisääntyminen sähköjärjestelmässä on lisännyt verkon joustokyvyn tarvetta epäsäännöllisen sähköntuotannon ja inertian puutteen vuoksi. Uusiutuvan tuotannon luomat häiriöt verkon tasapainotuksessa ja sähkömarkkinoiden toiminnassa voivat pahimmillaan johtaa koko voimajärjestelmän käyttövarmuuden vaarantumiseen. Kysyntäjoustolla on mahdollisuus vastata lyhytaikaisiin tasapainotusongelmiin yhtenä halvimpana vaihtoehtona. Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia aggregoitua kysyntäjoustoa virtuaalivoimalaitoksessa ja selvittää, voidaanko relekytkettyjä LVI kuormia yhdistää nopeaan FCR-N kysyntäjoustomarkkinaan aggregoimalla eri kuormia yhteen.

Diplomityö tarkasteli kysyntäjouston ja virtuaalivoimalaitoksien peruskäsitteitä, identifioi tärkeimmät kysyntäjoustoresurssit ja niiden ominaisuudet, sekä määritteli kysyntäjouston tärkeimmät suureet, mahdollistaen eri joustoresurssien kriittisen vertailun keskenään. Näiden lisäksi Suomessa olevaa kysyntäjoustonpotentiaalia arvioitiin. Lopulta diplomityössä kehitettiin viitekehys joustoresurssien aggregointiin ja aggregoidun reservin koordinointiin, sekä mallinnettiin kahta eri joustoresurssia tapaustutkimuksessa. Tapaustutkimuksen tulokset osoittivat, että a) yleisimmät LVI kuormat, eli ilmanvaihto- ja vedenjäähdytyskoneet voidaan liittää nopeaan kysyntäjoustomarkkinaan ilman negatiivisia vaikutuksia sisäilmaolosuhteisiin tai laitteiden elinikään, sekä b) aggregoimalla joustoresursseja yhteen voidaan tuottaa suurempaa joustokykyä kuin mihin laitteet pystyisivät yksinään.

Suomessa on tarve määritellä tarpeelliset viitekehykset ja standardit taloautomaatiojärjestelmiin kysyntäjoustoa varten. Viitekehyksien puute pakottaa jousto-operaattorit kehittämään omia ratkaisuja kuormien integroimiseksi markkinoille, ja täten nostaa jouston investointikustannuksia sekä vähentää saatavilla olevaa joustopotentiaalia. On tärkeää myös huomata, että suurin osa kysyntäjoustoon integroiduista kulutuspuolen kuormista ei ole alun perin suunniteltu joustavaan operointiin. Ottaen huomioon loppukäyttäjien hyväksynnän kulutuksen keskeytyksiin ja nykyisen jouston markkina-arvon, kysyntäjouston todellinen potentiaali saattaa olla huomattavasti pienempi kuin kirjallisuudessa on oletettu. Tärkeimmät uudet lähitulevaisuuden jouston lähteet ovat kaupallisten kiinteistöjen LVI järjestelmät sekä sähköautot. Energiavarastot osoittavat myös suurta kysyntäjoustopotentiaalia.