Optimal power system operation and planning of investments in new lines, energy storage and continuous serial compensation of power lines : doctoral thesis - Luburić, Zora; Pandžić, Hrvoje (Zagreb : Z. Luburić, Faculty of electrical engineering and computing, 2021)
Modern power systems tend to increase the capacity of integrated RES. While the RES contribute to power system decarbonisation, on the other hand their variable generation is often characterized as poorly predictable and controllable, often away from the load centres. Transmission of electricity in periods of high production might cause line congestion. However, there are devices that can improve efficiency of electricity transmission and provide flexibility to the grid, such as Energy Storage (ES) and Flexible Alternating Current Transmission Systems (FACTS) devices considering Thyristor-Controlled Series Capacitor (TCSC) devices. This thesis deals with ES performing energy arbitrage and deferring transmission investment, while FACTS devices also defer investment by changing the line impedance thus reducing the line congestion. The first part of the thesis is based on operational models in transmission power systems with increased share of non-controllable renewable generation using direct- (DC) and alternating- current (AC) network models. Impact of the two technologies, i.e. ES and FACTS, on power system flexibility and security is exhaustively researched. The second part of the thesis presents Transmission Expansion Planning (TEP), which is developed considering new lines, ES and series compensation of power lines using AC network model of power flows. The TEP problem is solved using Benders decomposition. Since TCSC devices focus only on the reactive power component, the ES has the ability to control both the operating and reactive power components. In addition, two new items have been proposed. First, a dynamic TCSC device is modeled whereby the compensation value is actively adjusted in each time unit between zero and the installed compensation capacity. Second, the ES is modelled, not only for the purpose of injecting or taking active power by discharging or charging the battery, which is common in the literature but its AC-DC converter is also used to inject or take reactive power with a tendency to regulate the voltage.
The most relevant conclusions of the thesis are: ES is more efficient in reducing system operating costs than FACTS devices, while the wind curtailment is effectively reduced by both technologies. However, the effectiveness of energy storage of reducing system operating costs and wind curtailment significantly depends on the wind profile. The current prices of ES and FACTS are still quite high, making the investment in new lines still the most attractive option. However, for lower ES costs, ES is installed at multiple buses, reducing the wind curtailment, but also taking part in voltage control. Investment in FACTS is less attractive and yields lower returns than the investment in new lines. However, it also complements the ES and can come handy at locations where installation of new lines is not possible.
Sve značajnijom integracijom obnovljivih izvora u moderni elektroenergetski sustav (EES) javljaju se dodatni izazovi u planiranju i pogonu samog sustava. Zbog koncentriranih lokacija pogodnih za gradnju vjetroelektrana, a koje su često udaljene od velikih centara potrošnje električne energije, javlja se problem zagušenja prijenosnih vodova. Tako uslijed male učestalosti zagušenja tijekom povećane proizvodnje vjetroelektrana i sezonskih tokova snaga, povećanje kapaciteta i/ili gradnja novih postojećih prijenosnih vodova često nije najekonomičnije rješenje. Povrh toga, gradnja dugačkih trasa vodova često otvara mnoga pravna pitanja i tendenciju dugotrajnijeg procesa izgradnje. U zadnje vrijeme nameću se nova rješenja koja mogu poboljšati učinkovitost prijenosa električne energije i pružiti značajnu količinu fleksibilnosti u sustavu, a neka od njih su spremnici energije i FACTS uređaji. U doktorskom je radu kroz razvoj pogonskih i investicijskih modela istražena mogućnost povećanja fleksibilnosti u elektroenergetskom sustavu sa značajnim udjelom obnovljivih izvora energije. Pogonski modeli daju rješenje optimalnog pogona prijenosne mreže elektroenergetskog sustava uzimajući u obzir koordiniran pogon spremnika energije i kontinuirane serijske kompenzacije prijenosnih vodova (TCSC). Detaljno je analizirana usporedba njihova načina rada u dereguliranom tržišnom okruženju i u okomito integriranom modelu. Nadalje, u disertaciji je predložen model planiranja koji pronalazi optimalnu kombinaciju spremnika energije, TCSC uređaja te prijenosnih vodova. Za razliku od TCSC uređaja koji su usmjereni samo na jalovu komponentu snage, spremnik energije ima mogućnost upravljanja i radnom i jalovom komponentom snage. Predloženi model planiranja koristi linearizirani model tokova snaga AC OPF te zbog efikasnijeg izračuna koristi iterativni postupak Bendersove dekompozicije. Osim navedenog, predložene su i dvije nove stavke. Prvo, modeliran je dinamički pogon TCSC-a čime se vrijednost kompenzacije aktivno podešava u svakoj jedinici vremena između nule i instaliranog kompenzacijskog kapaciteta. Drugo, spremnik energije je modeliran ne samo sa svrhom injektiranja ili preuzimanja radne snage pražnjenjem ili punjenjem baterije, što je uobičajeno u literaturi, već se njegov izmjenično-istosmjerni pretvarač koristi i za injektiranje ili preuzimanje jalove snage, čime se regulira napon mreže.
Najvažniji zaključci disertacije su sljedeći: Spremnici energije učinkovitije smanjuju pogonske troškove EES-a od FACTS uređaja, dok obje tehnologije smanjuju odbacivanje proizvodnje iz vjetroelektrana. Međutim, učinkovitost pohrane energije u smislu smanjenja pogonskih troškova sustava i smanjenja odbačene proizvodnje iz vjetroelektrana značajno ovisi o profilu proizvodnje vjetroelektrana. Za sadašnje cijene spremnika energije i TCSC-a ulaganje u nove prijenosne vode i dalje je najekonomičnija opcija na analiziranim studijama slučajeva. Međutim, za niže investicijske troškove spremnika energije model rezultira ulaganjima na nekoliko lokacija, smanjujući pritom odbacivanje proizvodnje iz vjetroelektrana, ali sudjelujući i u regulaciji napona. Ulaganje u TCSC manje je atraktivno i donosi manje dobiti u odnosu na ulaganje u nove prijenosne vodove. Međutim, važno je napomenuti da obje fleksibilne opcije mogu biti pogodne za investiciju ukoliko instalacija novih vodova u nekim dijelovima mreže nije prihvatljiva opcija zbog imovinsko-pravnih odnosa ili strukture terena.
Bibliografija str. 100-114.