Commissioning of frequency controlled reserve in Finland

Abstract

Frequency controlled Frequency Containment Reserves (FCR) regulate automatically according to changes in the Nordic power system's system frequency. As the frequency declines from its nominal value, up-regulation commences by increasing the reserve providing unit's electricity production or by decreasing its electricity consumption. Additionally, the Frequency Containment Reserve in Normal operation (FCR-N) down-regulates by increasing the unit's consumption or by decreasing its production when the system frequency rises above the nominal value.

In Finland, hydropower has traditionally acted as the main source of FCR capacity. However, active power capacity from other resources may also be offered to the FCR market places. For example, even modest Demand Response (DR) capacity is sufficient for market utilization if it is incorporated into an aggregation of reserve power capacity, as long as the entire aggregated ensemble fulfills the market place's rules. Another modern resource especially suitable for FCR-N utilization are the Battery Energy Storage Systems (BESS). The energy capacity stored in the batteries is limited, however, and exhausted in continuous activation.

In this Master's thesis, the technical requirements currently applied to th Frequency Containment Reserves were examined. Based on the requirements, the necessary commissioning process including four regulating tests were formulated and pre-approved by the Finnish Transmission System Operator Fingrid Oyj. The regulating tests are universally applicable, thus allowing the verification of compliance to the requirements for both conventional and modern resources. Furthermore, the expected future evolution of the technical requirements was studied by interviewing Fingrid's specialist.

The suitability of the formulated tests was assessed by performing regulating tests on a BESS. The acquired results indicated that the BESS fulfills the regulating requirements of both FCR market places. Additionally, the regulating tests formulated in this thesis were verified as suitable for performing the official regulating tests.

Taajuusohjatut käyttö- ja häiriöreservit reagoivat automaattisesti pohjoismaisen sähköjärjestelmän taajuuden vaihteluihin. Taajuuden laskiessa nimellisestä ne lisäävät tuotantoaan tai vähentävät kulutustaan, mitä kutsutaan ylössäädöksi. Lisäksi taajuusohjattu käyttöreservi alassäätää taajuuden noustessa nimellisestä vähentämällä tuotantoa tai lisäämällä kulutusta. Ylös- ja alassäädöllä pyritään siis tasaamaan sähkön kulutuksen ja tuotannon välistä eroa.

Vesivoima on perinteisesti toiminut Suomessa taajuusohjattujen käyttö- ja häiriöreservien lähteenä. Kuitenkin myös muu pätötehokapasiteetti soveltuu taajuus-ohjattujen reservien markkinapaikoille. Esimerkiksi pienimuotoinenkin sähkönkulutuksen kysyntäjousto voidaan hyödyntää, kun se liitetään osaksi suurempaa, aggregoitua kokonaisuutta. Aggregoimalla voidaan siis pienistä teholähteistä koostaa markkinavaatimukset täyttävä kokonaisuus. Toinen moderni, erityisesti käyttöreservikapasiteetiksi soveltuva tehonlähde ovat akkukäyttöiset sähkövarastot. Näiden erikoispiirre on akustojen jatkuvassa käytössä ehtyvä energiakapasiteetti, minkä vuoksi sähkövarastoille tulee antaa reservikäytössä palautumisaikaa.

Tässä diplomityössä tutustuttiin nykyisiin taajuusohjatuille käyttö- ja häiriöreserveille asetettuihin teknisiin vaatimuksiin. Nykyvaatimusten pohjalta muotoiltiin tarvittava käyttöönottoprosessi, mukaan lukien neljä yleisesti sovellettavissa olevaa säätökoekäyrää, joiden avulla niin perinteisten kuin uudempienkin taajuusohjattujen reservien ylläpitoon aiottujen yksiköiden soveltuvuus voidaan todentaa. Säätökoekäyrät hyväksytettiin Suomen kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj:llä. Lisäksi diplomityössä tutustuttiin vaatimuksiin tulevaisuudessa tehtäviin muutoksiin haastattelemalla Fingridin asiantuntijaa.

Laadittuja säätökoekäyriä testattiin hyödyntämällä niitä akkukäyttöisen sähkövaraston vaatimustenmukaisten säätöominaisuuksien todentamisessa. Säätökokeista saatujen tulosten perusteella sähkövarasto täytti sekä käyttö- että häiriöreserveille asetetut säätövaatimukset. Samalla todennettiin säätökoekäyrien soveltuvuus virallisten säätökokeiden suorittamiseen.