Continuous Balancing of Power Systems With High Shares of Wind and Solar Power
Methods for Estimation of Needs and Efficient Use of Balancing Services in Future Electricity Markets
Tid: Må 2025-11-10 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/s/61811645829
Språk: Engelska
Ämnesområde: Elektro- och systemteknik
Respondent: Henrik Nordström , Elkraftteknik
Opponent: Associate Professor Kenneth Bruninx, TU Delft, Delft, The Netherlands
Handledare: Professor Lennart Söder, Elkraftteknik; Professor Robert Eriksson, System Development, Svenska kraftnät
QC 20251010
Abstract
Systemansvariga för transmissionsnät (TSO:er) ansvarar för att upprätthålla den kontinuerliga balansen i elsystem genom att säkerställa att den planerade elproduktionen motsvarar efterfrågan i realtid. För att uppnå detta upphandlar de balanstjänster, det vill säga resurser som kan justera sin produktion eller konsumtion efter systemets behov. En högre andel av variabla förnybara energikällor (VRE) ökar osäkerheten och variabiliteten i driften, vilket skapar nya utmaningar kopplade till den kontinuerliga balanseringen. Samtidigt erbjuder nya flexibla teknologier och ett starkare europeiskt samarbete nya möjligheter att möta dessa utmaningar. Dessa trender gör den effektiva användningen och utformningen av balanstjänster i VRE-dominerade system till ett viktigt forskningsområde. Denna avhandling presenterar en rad forskningsarbeten med fokus på framtida behov av, och effektiv användning av, balanstjänster i elsystem med höga andelar vind- och solkraft.
Avhandlingen presenterar först en jämförande analys av strategier för kontinuerlig balansering i sex elsystem som strävar mot en hög andel variabla förnybara energikällor. Resultaten visar att det inte verkar finnas någon enskild lösning för kontinuerlig balansering i dessa typer av elsystem och att ett brett spektrum av teknologier behöver bidra till den framtida kontinuerliga balanseringen.
Därefter introduceras Power Imbalance Model (PIM) som ett nytt simuleringsramverk för att generera effektobalansscenarier med en tidsupplösning på en minut. Genom att använda resultat från ekonomisk lastfördelning som indata genererar PIM obalansscenarier genom detaljerad modellering av elsystemets teknologier, vilket möjliggör både långsiktiga bedömningar av balanseringsbehov och generering av realistisk indata till driftrelaterade mekanismer.
Nästa del av avhandlingen utvärderar fördelarna med en dynamisk dimensioneringsmetod för frekvensåterställningsreserver (FRR) i Norden, med hjälp av en nyutvecklad FRR-dimensioneringsmodell som bygger på sannolikhetsbegränsad optimering och PIM-data. Resultaten visar att dynamisk dimensionering bättre anpassar reservbehoven till rådande driftförhållanden, vilket gör att driftsäkerheten hålls på den eftersträvade nivån.
Därefter föreslås en ny marknadsklareringsmekanism för den nordiska kapacitetsmarknaden för manuell FRR (mFRR). Genom att beakta både kapacitetskostnader och förväntade aktiveringskostnader kan mekanismen leda till betydande kostnadsbesparingar jämfört med nuvarande praxis. Det motsvarande optimeringsproblemet löses effektivt med en specifikt anpassad lösningsalgoritm.
Slutligen utvecklas en stokastisk optimeringsmodell för systemkostnadsminimerande driftplanering av batterisystem. Modellen används för att analysera effekten av nya krav på teknologier med en begränsad energireserv som tillhandahåller frekvenshållningsreserver (FCR). Resultaten visar att sådana krav avsevärt minskar batterisystems levererade FCR-volymer.
Sammanfattningsvis bidrar avhandlingen med både nya modelleringsverktyg och utformning av nya driftrelaterade mekanismer, vilka behövs för att säkerställa en tillförlitlig och kostnadseffektiv kontinuerlig balansering av framtida europeiska elsystem med höga andelar VRE-resurser.