Managing wind power variability and uncertainty through increased power system flexibility
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2013-09-27
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
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
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
77 + app. 88
Series
VTT Science, 35
Abstract
Variability and uncertainty of wind power generation increase the cost of maintaining the short-term energy balance in power systems. As the share of wind power grows, this cost becomes increasingly important. This thesis examines different options to mitigate such cost increases. More detailed analysis is performed on three of these: flexibility of conventional power plants, smart charging of electric vehicles (EVs), and flexibility in heat generation and use. The analysis has been performed with a stochastic unit commitment model (WILMAR) and a generation planning model (Balmorel). Electric boilers can absorb excess power generation and enable shutdown of combined heat and power (CHP) units during periods of high wind generation and low electricity demand. Heat storages can advance or postpone heat generation and hence affect the operation of electric boilers and CHP units. The availability of heat measures increased the cost optimal share of wind power from 35% to 47% in one of the analysed scenarios. The analysis of EVs revealed that smart charging would be a more important source of flexibility than vehicle-to-grid (V2G), which contributed 23% to the 227 €/vehicle/year cost savings when smart charging with V2G was compared with immediate charging. Another result was that electric vehicles may actually reduce the overall CO2 emissions when they enable a higher share of wind power generation. Most studies about wind power integration have not included heat loads or EVs as means to decrease costs induced by wind power variability and uncertainty. While the impact will vary between power systems, the thesis demonstrates that they may bring substantial benefits. In one case, the cost optimal share of wind-generated electricity increased from 35% to 49% when both of these measures were included.Tuulivoimatuotannon vaihtelevuus ja ennusvirheet lisäävät energiatasapainon ylläpitämisen kustannuksia sähköjärjestelmissä. Tuulivoiman osuuden kasvaessa näiden kustannusten suhteellinen merkitys kasvaa. Tämä väitöskirja tutkii eri tapoja lieventää kustannusten nousua lisäämällä järjestelmän joustavuutta. Tarkempi analyysi on tehty kolmelle eri menetelmälle: perinteisten voimalaitosten joustavuuden lisääminen, sähköautojen älykäs lataaminen sekä lämmön tuotannon ja kulutuksen mahdollisuudet joustavuuden lisäämisessä. Analyysit on tehty stokastisella ajojärjestysmallilla (WILMAR) sekä investointimallilla (Balmorel). Sähkökattilat voivat hyödyntää liiallista sähköntuotantoa ja samalla mahdollistaa sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitosten alasajon ajanjaksoina, jolloin tuulivoimatuotanto on suurta ja kulutus vähäistä. Lämpövarastot voivat siirtää lämmöntuotannon ajoitusta ja sitä kautta lisätä sähkökattiloiden sekä sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitosten joustavia käyttömahdollisuuksia. Tulokset indikoivat merkittävää potentiaalia suhteellisen pienillä kustannuksilla. Analyysin mukaan sähköautojen älykäs lataaminen tarjoaa enemmän joustavuutta kuin sähkön syöttö verkkoihin sähköautoista tarvittaessa. Sähkönsyötön osuus älykkään lataamisen kokonaissäästöistä (227 €/auto/vuosi) oli 23 %. Toinen tulos oli, että sähköautot näyttäisivät vähentävän sähköntuotannon päästöjä, koska niiden tuoma joustavuus johtaa entistä suurempaan tuulivoiman osuuteen sähköjärjestelmässä. Suurin osa tuulivoiman vaihtelevuuden ja ennusvirheiden kustannuksia arvioineista tutkimuksista ei ole huomioinut sähköautojen tai lämmön tuotannon ja kulutuksen mahdollistamaa lisäjoustavuutta. Vaikutukset vaihtelevat järjestelmästä toiseen, mutta väitöskirja osoittaa, että näistä voidaan saada merkittäviä hyötyjä. Yhdessä tutkitussa tapauksessa tuulivoiman kustannustehokas osuus kasvoi 35 %:sta 49 %:iin, kun sekä lämmön kulutuksen että sähköautojen joustavuus huomioitiin.Description
Supervising professor
Lund, Peter, Prof., Aalto University, FinlandThesis advisor
Holttinen, Hannele, PhD, VTT Technical Research Centre of Finland, FinlandMeibom, Peter, PhD, Dansk Energi, Denmark
Keywords
wind power, unit commitment, economic dispatch, generation planning, energy balance, electric boiler, heat storage, heat pump, electric vehicle, hydro power, flexibility, variability, uncertainty
Other note
Parts
- [Publication 1]: Lu Xi, McElroy MB and Kiviluoma J, Global potential for wind-generated electricity. Proc. Nat. Acad. Sci., Vol. 106, No. 27, pp. 10933–10938, 2009.
- [Publication 2]: Kiviluoma J, Meibom P, Tuohy A, Troy N, Milligan M, Lange B, Gibescu M and O’Malley M, Short Term Energy Balancing With Increasing Levels of Wind Energy. IEEE Trans. Sustain. Energy, Vol. 3, No. 4, pp. 769–776, 2012.
- [Publication 3]: Meibom P, Kiviluoma J, Barth R, Brand H, Weber C and Larsen HV, Value of electric heat boilers and heat pumps for wind power integration. Wind Energy, Vol. 10, pp. 321–337, 2007.
- [Publication 4]: Kiviluoma J and Meibom P, Influence of wind power, plug-in electric vehicles, and heat storages on power system investments. Energy, Vol. 35, No. 3, pp. 1244–1255, 2010.
- [Publication 5]: Kiviluoma J and Meibom P, Flexibility from district heating to decrease wind power integration costs. In: Proc. of the 12th International Symposium on District Heating and Cooling, pp. 193–198, Tallinn, Estonia, 5–7 Sep. 2010.
- [Publication 6]: Kiviluoma J and Meibom P, Coping with wind power variability: how plug-in electric vehicles could help. In: Proc. of the 8th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as on Transmission Networks for Offshore Wind Power Farms, pp. 336–340, Bremen, Germany, 14–15 Oct. 2009.
- [Publication 7]: Kiviluoma J and Meibom P, Methodology for modelling plug-in electric vehicles in the power system and cost estimates for a system with either smart or dumb electric vehicles, Energy, Vol. 36, No. 3, pp. 1758–1767, 2011.
- [Publication 8]: Kiviluoma J and Meibom P, Decrease of wind power balancing costs due to smart charging of electric vehicles. In: Proc. of the 10th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as on Transmission Networks for Offshore Wind Power Farms, pp. 501–506, Aarhus, Denmark, 25–26 Oct. 2011.