Thermal Capacity Analysis of Regional Transmission Grids for Integrating Renewables in Finland
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2023-10-09
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
95 + 6
Series
Abstract
The rapid increase in new wind power connections has quickly congested the available transmission grid capacity in Finland. Solar PV investments are also expected to see a major upswing in Finland. The Finnish TSO, Fingrid, currently dimensions renewable power according to the nominal powerplant capacities. The available thermal grid capacity is hence not always efficiently utilized due to the intermittent power generation profiles of wind and solar power. The goal of this master’s thesis was to analyze wind power and solar PV complementarity and its utilization in transmission grid planning. The analyses were performed on different-sized areas on the West Coast of Finland. Hourly wind and solar power data were used to study the complementarity with varying wind and solar capacities. Additionally, hourly ambient temperature data was utilized to gain insight in the occurring power peaks and for approximating the potential of ambient-adjusted rating (AAR). Based on the studies, the complementarity of wind power and solar PV is very clear. It was found that 1 wind + 1 solar capacity produces power over a static limit of 1 around 5% of the time, which in energy corresponds to 3%. As reference, stand-alone wind power with a capacity of 2 produces over 1 around 30% of the time, which in energy corresponds to 20%. Stand-alone solar PV with a capacity of 2 produces over 1 around 10% of the time, which in energy corresponds to 13%. Some variation was seen depending on the size of the studied area. The results also showed clear benefits when utilizing AAR instead of a static limit in grid dimensioning. New methods that consider wind power and solar PV complementarity are needed for modern grid planning. Some TSO’s in Europe have developed such methods already. This thesis has provided results and tools that can be utilized if Fingrid would implement energy-based grid planning for renewables. Simultaneously, the thesis has presented the potential of AAR.Den snabba ökningen av nya vindkraftsanslutningar har belastat den tillgängliga kapaciteten i Finlands transmissionsnät. Solkraftsinvesteringar förväntas också öka kraftigt i Finland. Fingrid, som är systemansvarig för Finlands transmissionsnät, dimensionerar för tillfället förnybar energi enligt dess nominella kraftverkskapacitet. Den tillgängliga termiska kapaciteten i elnätet utnyttjas därför inte alltid effektivt på grund av den volatila produktionsprofilen för vind- och solkraft. Syftet med detta diplomarbete var att analysera komplementaritet mellan vind- och solkraft samt dess användning i planering av transmissionsnätet. Analyserna utfördes på områden av olika storlek på den finska västkusten. Vind- och solkraftstimdata användes för att studera komplementariteten med varierande vind- och solkapaciteter. Timtemperaturdata användes för att utreda effekttopparna och för att approximera kraftledningars belastningsförmåga vid varierande temperatur (AAR). På basis av analyserna är komplementariteten för vind- och solkraft ytterst tydlig. Det visade sig att 1 vindkapacitet + 1 solkapacitet producerar över en statisk effektgräns på 1 cirka 5% av tiden, vilket i energi motsvarar 3%. Fristående vindkraft med en kapacitet på 2 producerar över 1 cirka 30% av tiden, vilket i energi motsvarar 20%. Fristående solkraft med en kapacitet på 2 producerar över 1 cirka 10% av tiden, vilket i energi motsvarar 13%. Viss variation iakttogs beroende av storleken på det studerade området. Resultaten visade också märkbara fördelar vid användandet av AAR i stället för en statisk kapacitetsgräns i elnätsdimensionering. Modern elnätsplanering behöver nya metoder som beaktar komplementaritet mellan vind- och solkraft. En del systemansvariga i Europa har redan utvecklat sådana metoder. Detta diplomarbete har framfört resultat och verktyg som kommer till användning ifall Fingrid skulle genomföra energibaserad elnätsplanering för förnybar energi. Diplomarbetet har samtidigt presenterat potentialen hos temperaturbaserad AAR.Uusien tuulivoimaliityntöjen nopea kasvu on ruuhkauttanut Suomen käytettävissä olevaa kantaverkkokapasiteettia. Myös aurinkovoimainvestoinnit odotetaan Suomessa lähtevän voimakkaaseen nousuun. Suomen kantaverkkoyhtiö Fingrid mitoittaa tällä hetkellä uusiutuvaa energiaa laitosten nimelliskapasiteetin mukaan. Näin ollen verkon käytettävissä olevaa termistä kapasiteettia ei hyödynnetä tehokkaasti tuuli- ja aurinkovoiman ajoittaisen tuotantoprofiilien vuoksi. Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää tuuli- ja aurinkovoiman täydentävyyttä sekä sen hyödyntämistä kantaverkon suunnittelussa. Selvitykset tehtiin erikokoisilla alueilla Suomen länsirannikolla. Tuntikohtaisilla tuuli- ja aurinkotehotiedoilla tutkittiin eri tuuli- ja aurinkokapasiteettien täydentävyyttä. Lisäksi tuntikohtaisilla lämpötilatiedoilla saatiin käsitys tehohuipuista ja voitiin arvioida voimajohtojen kuormitettavuuden ominaisuuksia vaihtelevalla ympäristölämpötilalla (AAR). Tutkimusten perusteella tuuli- ja aurinkovoiman täydentävyys on selvä. Tarkastelussa todettiin että 1 tuulikapasiteetti + 1 aurinkokapasiteetti tuottaa yli staattisen rajan 1 noin 5 % vuoden tunneista, mikä vastaa energiassa noin 3 %. Itsenäinen tuulivoima, jonka kapasiteetti on 2, tuottaa yli 1 noin 30 % ajasta, mikä vastaa energiassa noin 20 %. Itsenäinen aurinkovoima, jonka kapasiteetti on 2, tuottaa yli 1 noin 10 % ajasta, mikä vastaa energiassa noin 13 %. Pientä vaihtelua havaittiin tuloksissa riippuen tutkitun alueen koosta. Tulokset osoittivat myös huomattavia hyötyjä käytettäessä AAR:ää staattisen rajan sijaan verkon mitoituksessa. Nykyaikaiseen verkkosuunnitteluun tarvitaan uusia menetelmiä, joissa huomioidaan tuuli- ja aurinkovoiman täydentävyyttä. Osa Euroopan kantaverkkoyhtiöistä on jo kehittänyt tämänkaltaisia menetelmiä. Tämä diplomityö on tuonut esiin tuloksia ja työkaluja, joita voidaan hyödyntää, jos Fingrid toteuttaisi energiapohjaisen verkkosuunnittelun uusiutuvalle energialle. Samalla diplomityö on esittänyt lämpötilapohjaisen AAR:n potentiaalia.Description
Supervisor
Pourakbari Kasmaei, MahdiThesis advisor
Ala-Mutka, Lauridc. description. abstract
dc. title
Keywords
transmission grid thermal capacity, wind power, solar PV, complementarity, grid dimensioning, ambient-adjusted rating