Harnessing Demand Response for Power System Flexibility - Residential Heating and Thermostatically Controlled Loads
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2017-04-03
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.
Author
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
101 + app. 71
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 26/2017
Abstract
Power systems are required to achieve a balance between generation and consumption in order to function. This task has conventionally been performed mainly by generators following the electricity demand. However, such a paradigm is changing along with the emerging of variable power generation. While a part of the generation becomes more variable, the rest of the power plants are left with increased responsibility to maintain the power balance. To assist with the balance maintenance, the electricity consumption can also be employed to provide the power system with flexibility. This demand-side flexibility, or demand response (DR), is the focus in this thesis. The aim of the dissertation is to propose a framework for the harnessing of DR for power system flexibility with a particular focus on residential heating loads. The topic is divided into three objectives, which are covered in this thesis and the publications. Firstly, the dissertation focuses on load aggregation whose purpose is to make the distributed and small flexibility resources visible and controllable. A central part of the aggregation approach is an aggregator, an entity acting as an intermediary between the loads and power system markets. The aggregator's daily operation is assisted by a virtual power plant, which automatically operates and responds to different situations in the maintenance of power system balance. Secondly, the thesis proposes three coordination strategies for the scheduling and control of DR. The strategies focus on different markets and parts of the power balance maintenance process, including a day-ahead electricity market, a balancing power market, and the manipulation of consumption patterns. At the same time, they provide alternative approaches for the interaction between the aggregator and consumers. The first of the introduced strategies emphasizes local decision-making and control, the second centralized, and the third is a combination of local and centralized. The functionality of the proposed strategies is tested with simulation studies. Thirdly, the thesis considers the utilization of DR in the power system frequency control. This application enables the loads to contribute to the power balance in the cases of disturbances and other unforeseen imbalances. Within the proposed framework, thermostatically controlled loads are able to react to the system frequency locally and to provide frequency containment reserves (FCR). Furthermore, the aggregator can centrally control loads in order to assists in frequency restoration. It is also argued with simulations that with a proper frequency coordination, the potential of DR to provide FCR can be improved.Voimajärjestelmissä kulutuksen ja tuotannon täytyy olla joka hetki tasapainossa, mikä on perinteisesti saavutettu sähkönkulutusta seuraavilla voimalaitoksilla. Tasapainon saavuttaminen tulee kuitenkin haastavammaksi vaihtelevan sähköntuotannon määrän lisääntyessä, kun perinteisiä voimaloita poistuu järjestelmästä ja sen tarvitsema jousto kasvaa. Kasvavaa jouston tarvetta voidaan helpottaa ohjaamalla sähkönkulutusta vastaamaan voimajärjestelmän tarpeita. Joustava ja ohjattava sähkönkulutus eli kysyntäjousto on myös tämän työn aiheena. Väitöskirjassa esitellään yleinen kehys, jonka avulla omakotitalojen lämmityksen ja termostaattiohjattujen kuormien tarjoama kysyntäjousto voidaan valjastaa voimajärjestelmän tarvitsemaksi joustoksi. Aihe on jaettu kolmeen tavoitteiseen, joista ensimmäinen keskittyy kuormien aggregointiin. Aggregoinnin tarkoituksena on lisätä pienten ja maantieteellisesti hajaantuneiden kuormien ohjattavuutta ja järjestelmätason näkyvyyttä. Tehtävää hoitavat aggregaattori ja tätä avustava virtuaalivoimalaitos, jotka toimivat linkkinä järjestelmän markkinoiden ja kuormien välillä päivittäisessä toiminnassa. Toisena tavoitteenaan työ esittelee kolme koordinointistrategiaa kysyntäjouston allokoinnille ja ohjaukselle. Strategiat keskittyvät eri markkinoihin ja tehotasapainon ylläpidon eri osiin, kuten sähkön spot-markkinaan, säätösähkömarkkinaan sekä kulutusprofiilin muokkaamiseen. Kuluttajien erilaiset tarpeet on myös huomioitu: Yksi strategioista painottaa sähkön kulutuspaikassa tapahtuvaa päätöksentekoa ja ohjausta, kun taas toinen korostaa keskitettyä optimointia ja ohjausta. Kolmas strategia yhdistelee kahta edellistä. Viimeisenä tavoitteenaan väitöstyö tutkii kysyntäjouston käyttöä voimajärjestelmän taajuusohjauksessa. Tutkimuksen tarkoituksena on mahdollistaa kuormien jouston hyödyntäminen verkon häiriötilanteissa tai muun ennakoimattoman tehovaihtelun sattuessa. Työssä termostaattiohjatut kuormat tarjoavat taajuuden vakautusreservejä reagoiden taajuuden vaihteluihin paikallisesti. Lisäksi aggregaattori voi keskitetysti ohjata kuormia, mikä edelleen mahdollistaa kysyntäjouston käytön taajuuden palautuksessa.Description
Supervising professor
Lehtonen, Matti, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, FinlandThesis advisor
Lehtonen, Matti, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, FinlandKeywords
aggregator, balancing power market, demand response, electricity market, flexibility, frequency control, maintenance of power balance, residential heating, thermostatically controlled loads, aggregaattori, asuinrakennusten lämmitys, jousto, kysyntäjousto, sähkömarkkina, säätösähkömarkkina, taajuussäätö, tehotasapainon ylläpito, termostaattiohjatut kuormat
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Antti Alahäivälä, Olli Kilkki, Merkebu Z. Degefa, Ilkka Seilonen, Matti Lehtonen. A virtual power plant for the aggregation of domestic heating load flexibility. In IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies, Europe, Istanbul, pages 1-6, October 2014.
DOI: 10.1109/ISGTEurope.2014.7028861 View at publisher
- [Publication 2]: Antti Alahäivälä, Mubbashir Ali, Matti Lehtonen, and Juha Jokisalo. An intra-hour control strategy for aggregated electric storage space heating load. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, volume 73, pages 7-15, December 2015.DOI: 10.1016/j.ijepes.2015.04.001
-
[Publication 3]: Antti Alahäivälä, Tobias Heß, Sunliang Cao, and Matti Lehtonen. Analyzing the optimal coordination of a residential micro-CHP system with a power sink. Applied Energy, volume 149, pages 326-337, July 2015.
DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.03.116 View at publisher
-
[Publication 4]: Antti Alahäivälä, James Corbishley, Jussi Ekström, Juha Jokisalo, Matti Lehtonen. A control framework for the utilization of heating load flexibility in a day-ahead market. Electric Power Systems Research, volume 145, pages 44-54, April 2017.
DOI: 10.1016/j.epsr.2016.12.019 View at publisher
-
[Publication 5]: Antti Alahäivälä, Matti Lehtonen. Increasing the benefit from cost minimizing loads via centralized adjustments. Energies, volume 9, issue 12, November 2016. Publisher's version at Aaltodoc/Acris: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201701191220.
DOI: 10.3390/en9120983 View at publisher
-
[Publication 6]: Antti Alahäivälä, Matti Lehtonen. Coordination strategies for distributed resources as frequency containment reserves. In Smart Grid Technologies - Asia (ISGT ASIA), 2015 IEEE Innovative, Bangkok, pages 1-6, November 2015.
DOI: 10.1109/ISGT-Asia.2015.7386962 View at publisher
