General simulation framework for virtual power plant

Thumbnail Image

Files

master_Suoanttila_Aaron_2025.pdf (1.79 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | 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

2025-10-09

Department

Major/Subject

Energy Systems and Markets

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Kehittyneiden energiaratkaisujen maisteriohjelma
Magisterprogrammet i avancerade energilösningar

Language

en

Pages

61

Series

Abstract

The stability of the electric grid is increasingly crucial in the modern society where endorsement of digitalization results in dependency on the electric grid. However, the adoption of renewable energy creates progressively more inherent generation fluctuation in the electric grid. Fluctuations can in extreme cases lead to total blackouts as happened in Spain and Portugal in 2025. The solution to the fluctuations is reserve market products. There are many different kinds of reserve market products, but they all have the same purpose - to maintain stability. In addition to the purpose, the products also share other similar characteristics. This thesis considers the shared characteristics of different reserve market products. By identifying the similarities, a parametrized reserve market solution is constructed for a highly aggregated power switch device virtual power plant acting as a reserve. Mobile network base stations are chosen as the example for the units that are aggregated into a virtual power plant. The solution is constructed based on the requirements set for Central European frequency containment reserve. First, the requirements categorized based on the attribute of the reserve's provision they correspond to. The categorical requirements are then parametrized and the parameters combined into categorized lists. These categorical requirements are then implemented into a simulation framework that takes the categorical lists as input. The framework controls an aggregation of simulated base station models that are built based on real measurement. The applicability of the framework is ensured using a 3rd party test tool and parameter lists for FCR-N, FCR-D upwards and FCR-D downwards. Results from the 3rd party test tool indicated compliance with the product specific requirements and thus wide applicability of the framework. The framework is found to be suitable, for symmetrical and asymmetrical reserve market products for all product relevant directions. 20 parameters are identified as necessary for the framework to function as required. As the framework is found to be compliant with multiple types of reserve market products with the product corresponding parameters, the scope of the framework could be expanded from base station based reserve to other generation and load units, even combining many types of load and generation units into a singular VPP. In addition to the wide applicability for unit types, the framework can reasonably be expected to be applicable to multiple TSO jurisdictions and different kinds of reserve market products. The broad suitability to different reserve market products also allows for agile adoption of previously described reserves in different markets and regions.

Sähköverkon vakaus on erityisen tärkeää nykyaikaisessa yhteiskunnassa, jossa digitalisaation suosio on aiheuttanut suuren riippuvuuden sähköverkon toiminnasta. Tilannetta hankaloittaa uusiutuvan energian lisääntyvä käyttöönotto, mikä luonnollisesti huonontaa sähköverkon vakautta. Ääritilanteissa epävakaus voi johtaa täydelliseen sähköverkon pettämiseen, eli laajaan sähkökatkoon. Ratkaisu sähköverkon lisääntyvälle epävakaudelle on reservituotteet. Reservituotteita on monenlaisia, mutta niiden kaikkien on tarkoitus ylläpitää sähköverkon vakautta. Saman käyttötarkoituksen lisäksi reservituotteilla on muitakin yhteneväisyyksiä. Tämä diplomityö käsittelee eri reservituotteiden yhteneväisyyksiä. Erittelemällä reservituotteiden yhteneväisyyksiä voidaan suunnitella parametrisoitu reservimarkkinaratkaisu. Kyseessä on erittäin hajautettu tehokytkinlaitteiden muodostama virtuaalivoimalaitos, joka toimii reservinä reservimarkkinoilla. Diplomityössä käytetään moobiiliverkon tukiasemaa esimerkkinä tehokytkinlaitteesta osana virtuaalivoimalaitosta. Reservimarkkinaratkaisu on toteutettu keskieurooppalaiselle taajuusohjatulle reserville asetettujen vaatimusten perusteella. Ensin vaatimukset luokitellaan reservin vasteen ominaisuuksien perusteella, jonka jälkeen ne muutetaan parametrisoiduiksi vaihtamalla vakiot muuttujiksi. Saadut alkuarvomuuttujat luokitellaan mainittujen vasteen ominaisuuksien perusteella listoihin ja luokitellut vaatimukset toteutetaan simulaatiokehykseen. Simulaatiokehys saa luokitellut alkuarvolistat syötteenä. Simulaatiokehys ohjaa mittausten perusteella luotuja tukiasemamalleja. Kehyksen toimivuus tukiasemamallien ohjauksessa testataan kolmannen osapuolen testityökalulla käyttäen pohjoismaisia taajuusohjattuja käyttöreserviä (FCR-N) ja häiriöreserviä (FCR-D), ja niitä vastaavia alkuarvolistoja. Kolmannen osapuolen testityökalun antamat tulokset osoittavat simulaatiokehyksen täyttävän testatuille reservituotteille asetetut vaatimukset ja siten helpon mukautettavuuden erilaisiin reservituotteisiin. Simulaatiokehys todettiin toimivaksi symmetrisillä ja epäsymmetrisillä reservituotteilla kaikkiin tuoteriippuvaisiin säätösuuntiin. 20 alkuarvomuuttujaa riitti saavuttamaan tämän tuloksen. Koska simulaatiokehys todettiin toimivaksi yhdessä reservituoteriippuvaisten parametrilistojen kanssa, voidaan simulaatiokehyksen olettaa soveltuvan myös muiden teholaitteiden kuin tukiasemien ohjaamiseen. Esimerkiksi kotiakut, vesivaraajat, sähköautot ja muut sähköä tuottavat ja/tai kuluttavat suhteellisen pienet laitteet soveltuvat hyvin käytettäväksi yhdessä tämän simulaatiokehyksen kanssa yhtenäisenä virtuaalivoimalaitoksena. Simulaatiokehyksen parametrisointi mahdollistaa sen käytön myös muissa reservituotteissa ja muilla maantieteellisillä alueilla nopealla aikataululla.

Description

Supervisor

Lehtonen, Matti

Thesis advisor

Hämäläinen, Seppo

Keywords

simulation, virtual power plant, frequency containment, ancillary services, base station, limited endurance, generation, energy management

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202512159250

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC