On Operational Flexibility in Transmission - ETH E

DISS. ETH NO. 23487
On Operational Flexibility in
Transmission Constrained
Electric Power Systems
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
MATTHIAS ANDRIN BUCHER
MSc ETH EEIT, ETH Zurich
born on 25.09.1986
citizen of
Schleinikon ZH, Switzerland
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Göran Andersson, examiner
Prof. Dr. Keith Bell, co-examiner
2016
Kurzfassung
Diese Arbeit befasst sich mit der Flexibilität im Betrieb von elektrischen Energiesystemen und stellt Methoden vor, um die substanzielle
Produktion aus erneuerbaren Energiequellen in Systemen mit begrenzten Übertragungskapazitäten zu integrieren.
Innerhalb der letzten Jahre haben die Anteile an erneuerbaren Energien,
hauptsächlich Photovoltaik und Wind, beträchtlich zugenommen, was
zu diversen Herausforderungen geführt hat, insbesondere die schwierig
prognostizierbare und fluktuierende Produktion sowie höhere Rampen,
die mit konventionellen Generatoren gefahren werden müssen.
Diese Dissertation befasst sich mit verschiedenen Aspekten von betrieblicher Flexibilität. Im ersten Teil werden vier mögliche Konsequenzen
von zunehmender Produktion aus erneuerbaren Energiequellen charakterisiert. Der Term locational flexibility wird eingeführt um die örtliche
Abhängigkeit von Flexibilität zu unterstreichen. Eine Metrik um die vorhandene Flexibilität zu quantifizieren wird vorgestellt sowie der Einfluss
von verfügbarer Übertragungskapazität auf die Grösse von Störungen,
die ausbalanciert werden können, wird untersucht.
Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Platzierung von adequaten Reserveprodukten um alle realistischen Wirkleistungsabweichungen ausbalancieren zu können. Die Methode berücksichtigt Übertragungskapazitäten, korrigierende Massnahmen von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) sowie die ortsabhängigen Charakterisierungen der
Unsicherheit. Die Formulierung resultiert in ein robustes Optimierungsproblem, welches, verglichen mit deterministischen Beschaffungen von
Reserven, eine effizientere und ökonomischere Frequenzhaltung ermöglicht.
Viele Energiesysteme, zum Beispiel in Zentraleuropa, bestehen aus vielen Regelzonen. Der dritte Teil befasst sich mit der Koordination von
vii
viii
Kurzfassung
Flexibilität zwischen Netzbetreibern. Ein vielseitiges Konzept für den
effizienten und dezentral organisierten Austausch von Reserven wird
vorgestellt.
Der letzte Teil stellt mögliche Ansätze vor, um die Systeme flexibler zu
machen. Als kontrollbasierte Methode um die Übertragungskapazität zu
erweitern, wird die Integration von dynamischen-bewerteten Übertragungskapazitäten in Marktprozessen diskutiert. Zwei Modelle, eines zur
Modellierung von Solarwärmekraftwerken sowie eines für Power-to-Gas
Technologien, komplettieren diese Arbeit.
Abstract
This thesis deals with operational flexibility in electric power systems
with high shares of renewable energy sources (RES) and limited transmission capacity and provides tools to address corresponding challenges.
Shares of RES, predominantly photovoltaic plant (PV) and wind, have
increased in recent years and led to transmission system-related issues,
noteworthy, uncertain and intermittent production and high ramping
requirements.
This thesis focuses on different aspects of operational flexibility. The
first part characterizes four major challenges as a consequence of increasing production from RES. The term locational flexibility is used
to emphasize the location-dependency of the available flexibility. A metric to quantify the available flexibility is presented and the effect of the
transmission grid on disturbances that can be contained is presented.
The second part is concerned with the allocation of adequate amounts of
suitable reserve products to balance all credible deviations. The method
considers transmission limits, corrective measures from high voltage direct current (HVDC) links and location-dependent uncertainty characterizations in an adjustable robust optimization. Compared to deterministic procurements, the method enables a more efficient and economical balancing. Many power systems, for example in central Europe, are
composed of many control areas. The third part focuses on the coordination of flexibility between transmission system operators. A versatile framework is presented that allows an efficient and decentralized
sharing of reserves. The last part presents approaches to increase the
operational flexibility. The integration of dynamic line rating in market
processes is discussed as a control-based mean to enable more transmission capacity. Two modeling contributions, a model for concentrated
solar power units and power-to-gas technologies complete the thesis.
ix

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