The Evolution and Active Management of the Future Electricity Distribution Networks Providing Ancillary Services

Abstract

Through the climate targets, the energy transition, a revolution in the energy sector, takes place in the socio-technical, -economic, and -ecological frameworks. The power system is evolving towards a Smart Grid along with the energy transition, envisioned as the future energy system’s critical infrastructure. This dissertation examines the development of the power system from a socio-technical perspective, as the power system is a typical socio-technical system where people, machines, and operating systems are interdependent and interact. The increase in the share of renewable energy generation, the growth in distributed generation (DG) and storage, and their utilisation in the electricity system’s operation are essential for developing Smart Grids. Distributed energy resources (DERs), including DG, storage, and controllable loads, are used to increase the power system’s flexibility, reliability, and local energy self-sufficiency. Ancillary services (ASs) provided by DERs increase the flexibility of the power system. The integration of DERs poses challenges for developing the electricity distribution networks, as it involves several stakeholders and actors whose needs must be satisfied. Central to developing future electricity distribution networks is recognizing and analysing megatrends, trends and the developing technical, economic and regulatory signals, and identifying the changing and differentiating actor roles. This dissertation examines the frameworks of the energy transition, visions, and scenarios of the future energy system and the preconditions for the energy transition’s success concerning the electricity distribution networks. The active electricity distribution networks (ADNs) and microgrids are raised as the key concepts to develop an intelligent electricity distribution grid. The management needs of the electricity distribution networks are mapped, which states that the provision of various ASs for both transmission and distribution levels is central. In accelerating the development and implementation of new or advanced concepts, hardware-in-the-loop (HIL) testing is recognised as a key role. The thesis’s result is a socio-technical, four-phase roadmap of the electricity distribution networks’ evolution towards the vision, describing the target scenario, the operation in Smart Grids.

Ilmastotavoitteiden vuoksi energiamurros, energiasektorin voimakas kehittyminen, harppaus uuteen tuotantotapaan ja järjestelmään tapahtuu sosioteknisessä, -ekonomisessa ja -ekologisessa viitekehyksessä, jonka myötä sähköjärjestelmä kehittyy kohti älysähköverkkoa (Smart Grid), tulevaisuuden energiajärjestelmän keskeistä infrastruktuuria. Tämän väitöskirjan painopisteenä on sähkönjakelujärjestelmän sosiaalistekninen kehittymispolku kohti älysähköverkkoa, missä ihmiset, koneet, laitteet ja toimintajärjestelmät ovat toisistaan riippuvaisia ja niiden keskinäinen vuorovaikutus kasvaa. Älysähköverkkojen kehittämisen ydin on uusiutuvan energiantuotannon osuuden, hajautetun energiantuotannon ja varastoinnin lisääminen sekä näiden hyödyntäminen energiajärjestelmän toiminnassa. Hajautettujen energiaresurssien (tuotanto, varasto, kuorma) hallinnalla tavoitellaan sähköjärjestelmän joustavuuden ja luotettavuuden lisäämistä sekä paikallisen energiaomavaraisuuden kasvua. Sähköjärjestelmän joustavuutta edistetään hajautettujen energiaresurssien tarjoamilla lisäpalveluilla. Hajautettujen energiaresurssien integrointi ja toiminta sähkönjakeluverkossa tuo haasteita verkon kehittämiselle, koska siihen osallistuu useita erilaisia sidosryhmiä ja toimijoita, joiden tarpeet on täytyttävä. Keskeistä tulevaisuuden sähkönjakeluverkon kehittymisessä on megatrendien, trendien sekä kehittyvien teknisten ja regulatiivisten näkökulmien sekä taloudellisten hyötyodotusten lisäksi toimijoiden dynaamisten ja erilaistuvien roolien tunnistaminen ja analysointi. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan energiamurroksen viitekehyksiä, tulevaisuuden energiajärjestelmän visioita sekä energiamurroksen onnistumisen edellytyksiä sähkönjakeluverkkojen kehittämisessä. Keskeisiksi konsepteiksi nostetaan aktiivinen sähkönjakeluverkko ja mikroverkko. Tulevaisuuden sähkönjakeluverkkojen hallinnassa todetaan siirtoverkko- sekä jakeluverkkotason lisäpalvelujen mahdollistamisen olevan keskeisiä. Konseptien kehittämisen ja realisoinnin jouduttamisessa osoitetaan hardware-in-the-loop (HIL) -testauksen olevan avainasemassa. Väitöskirjan tuloksena on sähkönjakeluverkkojen kehittymisen sosiaalistekninen ja nelivaiheinen tiekartta, joka kuvaa tavoiteskenaarion eli älysähköverkkovision kehittymispolun.