Harnessing Demand Response for Power System Flexibility - Residential Heating and Thermostatically Controlled Loads

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorLehtonen, Matti, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
dc.contributor.authorAlahäivälä, Antti
dc.contributor.departmentSähkötekniikan ja automaation laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Electrical Engineering and Automationen
dc.contributor.labPower Systems and High Voltage Engineeringen
dc.contributor.schoolSähkötekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Electrical Engineeringen
dc.contributor.supervisorLehtonen, Matti, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
dc.date.accessioned2017-02-23T10:00:27Z
dc.date.available2017-02-23T10:00:27Z
dc.date.defence2017-04-03
dc.date.issued2017
dc.description.abstractPower 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.en
dc.description.abstractVoimajärjestelmissä 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.fi
dc.format.extent101 + app. 71
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-7296-8 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-7297-5 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/24665
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-7296-8
dc.language.isoenen
dc.opnRaisz, David, Assoc. Prof., Budapest University of Technology and Economics, Hungary
dc.opnDjokic, Sasa, Dr., University of Edinburgh, UK
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries26/2017
dc.revRaisz, David, Assoc. Prof., Budapest University of Technology and Economics, Hungary
dc.revKilter, Jako, Assoc. Prof., Tallinn University of Technology, Estonia
dc.subject.keywordaggregatoren
dc.subject.keywordbalancing power marketen
dc.subject.keyworddemand responseen
dc.subject.keywordelectricity marketen
dc.subject.keywordflexibilityen
dc.subject.keywordfrequency controlen
dc.subject.keywordmaintenance of power balanceen
dc.subject.keywordresidential heatingen
dc.subject.keywordthermostatically controlled loadsen
dc.subject.keywordaggregaattorifi
dc.subject.keywordasuinrakennusten lämmitysfi
dc.subject.keywordjoustofi
dc.subject.keywordkysyntäjoustofi
dc.subject.keywordsähkömarkkinafi
dc.subject.keywordsäätösähkömarkkinafi
dc.subject.keywordtaajuussäätöfi
dc.subject.keywordtehotasapainon ylläpitofi
dc.subject.keywordtermostaattiohjatut kuormatfi
dc.subject.otherElectrical engineeringen
dc.titleHarnessing Demand Response for Power System Flexibility - Residential Heating and Thermostatically Controlled Loadsen
dc.titleKysyntäjouston valjastaminen voimajärjestelmän joustoksifi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2017_02_22_klo_14_47
Files
Original bundle
Now showing 1 - 2 of 2
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526072968.pdf
Size:
2.21 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
Errata_alahaivala_antti_DD_26_2017_publication_P2.pdf
Size:
104.05 KB
Format:
Adobe Portable Document Format