Improving the Flexibility of Future Power Systems : Provision of Flexibility Services to the System Operators by Different Energy Resources

Abstract

Future power systems must become more flexible to enable the increased integration of intermittent, weather-dependent renewable energy sources (RES) and electric vehicles. To address this, power system operators increasingly need various flexibility services. These services enable more efficient system operation, better utilisation of existing assets, and increased hosting capacity by managing voltage, current, or thermal limit-related congestions.

While flexibility services for transmission system operators (TSOs) have been well-developed, less attention has been given to those for distribution system operators (DSOs). Hence, this dissertation addresses the key features needed for designing flexibility services at the DSO level and offers guidance for efficient utilisation of Flexible Energy Resources (FERs) in distribution networks.

FERs can be defined as customers, consumers and/or producers, who can control their electricity use or production based on system operators' needs. This dissertation analyses various FERs, including battery energy storage system (BESS), controllable devices in smart homes like electric water heater, heating and ventilation air conditioner, and electric vehicle, a local energy community with shared controllable devices, as well as a wind-integrated hydrogen system with an electrolyser, compressor, and hydrogen storage. These FERs are scheduled to provide flexibility services for DSO and TSO.

This dissertation introduces two general methods for managing FERs: mathematically modelled optimisation-based systems and fuzzy logic control for coordinated active and reactive power management. These methods enable FERs to provide flexibility services for the system operators. By using the proposed approaches, system operators can better address the challenges of integrating renewable energy, while FERs can achieve financial benefits. However, uncertainties can complicate achievement of these goals. Therefore, the dissertation proposes a roadmap to make informed and optimal decisions under various uncertainties. It also implements methods to generate scenarios based on the nature of the related scheduling problem.

All the methodologies proposed in this dissertation have been applied to various case studies using real-world data from Finnish power systems to ensure practical relevance. Additionally, different comparison models have been developed to show how financially profitable the flexibility services provision could be for FERs.

Tulevaisuuden sähköjärjestelmien tulee olla entistä joustavampia laajamittaisen uusiutuvien energialähteiden ja sähköajoneuvojen integroimisen mahdollistamiseksi. Sen vuoksi kanta- ja jakeluverkko-operaattorit tarvitsevat yhä enemmän teknisiä joustopalveluita, jotka tehostavat sähköjärjestelmän toimintaa ja parantavat verkon olemassa olevan kapasiteetin hyödyntämistä sallittujen jännite- ja virtarajojen puitteissa.

Vaikka joustopalvelut ja niihin liittyvät tekniset lisäarvopalvelumarkkinat kantaverkkoyhtiöille ovat olleet olemassa jo pitkään erityisesti taajuuden ja sähköjärjestelmän tehotasapainon hallintaan liittyen, niin jakeluverkkoyhtiöille suunnatut tekniset joustopalvelut ovat saaneet vähemmän huomiota tähän päi¬vään mennessä. Väitöskirja keskittyy jakeluverkko-operaattoreiden joustopalveluiden suunnitteluun ja esittää uusia periaatteita joustavien energia¬resurssien tehokkaaseen hyödyntämiseen jakeluverkoissa.

Joustavat energiaresurssit voivat olla joko energian tuottajia tai kuluttajia, jotka pystyvät ohjaamaan sähkön kulutustaan tai -tuotantoaan kanta- ja jakeluverkko-operaattoreiden tarpeiden mukaan. Väitöskirja analysoi erilaisia joustavia energiaresursseja, mukaan lukien sähköakkuvarastot, kotitalouksien ohjattavat sähkölaitteet, sähköajoneuvot ja paikalliset energiayhteisöt sekä tuulivoimaan integroidut vetyjärjestelmät. Näitä joustoresursseja hyödynnetään tuottamaan joustopalveluita sekä kanta- että jakeluverkkoyhtiöille.

Väitöskirja esittelee sekä optimointipohjaisen että sumeaan logiikkaan perustuvat menetelmät joustavien energiaresurssien pätö- ja loistehon hallintaan joustopalveluiden tuottamiseksi kanta- ja jakeluverkko-operaattoreiden kasvaviin joustotarpeisiin. Erilaiset epävarmuustekijät voivat kuitenkin hankaloittaa jousto-resurssien hyödyntämistä ja joustotarpeiden täyttämistä. Tämän vuoksi väitöskirjassa esitetään suunnitelma, joka mahdollistaa optimaalisten valintojen tekemisen erilaiset epävarmuustekijät, ajalliset vaihtelut ja niihin liittyvät skenaariot huomioiden. Kaikki väitöskirjassa esitetyt menetelmät on testattu erilaisissa tapaustutkimuksissa käytännön sovellettavuuden sekä joustopalveluiden taloudellisen kannattavuuden varmistamiseksi.