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Reliable Flexibility Provision from Distribution Systems to Enable Higher Grid Utilization by Curative Operation

Kolster, Till (2022)
Reliable Flexibility Provision from Distribution Systems to Enable Higher Grid Utilization by Curative Operation.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021887
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Reliable Flexibility Provision from Distribution Systems to Enable Higher Grid Utilization by Curative Operation
Language: English
Referees: Niessen, Prof. Dr. Stefan ; Steinke, Prof. Dr. Florian
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xv, 202 Seiten
Date of oral examination: 18 July 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00021887
Abstract:

Operating power grids in the course of the ongoing decarbonization of energy systems is increasingly challenging. More and more decentral renewable energy sources are contributing to the supply of electricity and cause higher transport demands in the power grids. The necessary grid expansion is running behind schedule required to meet the targets of the Paris Climate Accords for reasons of social acceptance and high costs. Therefore, transmission system operators as well as regulatory authorities are investigating new approaches to enable higher network utilization. One way to alleviate the situation, is to shift from preventive n-1 safe grid operation to curative n-1 safe grid operation. To enable such a change, operational degrees of freedom are needed, which can stem from different sources.

In this work, the focus is on flexibility provided by distribution grids and how it can be used as an operational degree of freedom for curative grid operation. Flexibility allocated by adapting the schedules of distributed energy sources is provided in such a way, that the resulting power-flow changes relieve congestion in the transmission system. These distributed energy sources can be generators, such as wind-power or photovoltaic power plants, as well as flexible loads, such as power-to-heat plants or heat pumps.

Two key questions in the context of this concept are treated in this thesis: Firstly, is there enough flexibility in the German distribution grids to use those grids for curative transmission grid operation? And secondly, how can a distribution system operator calculate the flexibility of his grid that can safely be provided?

To answer the first question, an energy system model of Germany in the year 2030 is set up and available flexibility for curative transmission system operation is calculated. Time-steps are selected, in which a loss of transmission capacity leads to critical states in the grid, and the available flexibility in the regions adjacent to the critical corridor is calculated. Results show, that especially power-to-heat can provide valuable flexibility in situations where transmission capacity losses lead to critical states and, together with flexibility from wind-power, in 40 % of these situations the power provided by these two technologies is sufficient to reduce power-line loadings back to safe values. In the remaining 60 % of situations other sources must complement the flexibility necessary for curative operation or the utilization of the grid has to be reduced accordingly.

The second question is answered by the development of a fast and robust optimization approach to limit the allowed ranges in power injection changes from individual energy resources in order to guarantee a safe state in the flexibility-providing distribution grid. The derived analytical solution of the boundary conditions that ensure a secure state in the grid can be integrated as a subordinate problem of the optimization, so that a large part of the overall problem can be calculated before optimization. The robustness of the approach is not only shown by the guaranteed compliance with boundary conditions, but also by a stable convergence behavior. This method is successfully tested on both a conceptual test grid and a real distribution grid. This work shows both that flexibility from the distribution grids is available in orders of magnitude relevant for curative grid operation, and that it can be used for such operation. The approach developed in this thesis to calculate and provide flexibility can be applied to real grids and offers the necessary security and speed needed for curative grid operation due to the inherent robustness.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Anforderungen an den Betrieb der Stromnetze im Zuge der fortschreitenden Dekarbonisierung der Energiesysteme steigen stetig an. Immer mehr dezentral installierte erneuerbare Energiequellen tragen zur Energieversorgung bei und verursachen höhere Transportbedarfe in den Stromnetzen. Da der hierfür notwendige Netzausbau sowohl aus Akzeptanzgründen stockt und große Kosten verursacht, als auch zeitlich nicht mit der notwendigen Geschwindigkeit durchgeführt wird, um die Ziele des Pariser Klimaschutzabkommen einhalten zu können, sind die Übertragungsnetzbetreiber und Regulierungsbehörden angewiesen, innovative Konzepte zu entwickeln, um eine höhere Netzauslastung zu ermöglichen. Eine Möglichkeit hierfür ist der Wechsel vom präventiven n-1 sicheren Netzbetrieb zu einem kurativ n-1 sicheren. Um einen solchen Wandel zu ermöglichen, werden betriebliche Freiheitsgrade benötigt, die aus verschiedenen Quellen stammen können.

In dieser Arbeit wird untersucht, ob und wie Anlagen in Verteilnetzen Flexibilität bereitstellen können, die für eine kurative Netzbetriebsführung genutzt werden kann. Dabei werden die Fahrpläne der verteilt installierten Anlagen so verändert, dass die daraus resultierenden Lastflussänderungen zu Entlastungen von Engpässen im Übertragungsnetz führen. Diese verteilten Anlagen können Stromerzeuger wie Windkraft- oder Photovoltaikanlagen sein, aber auch flexible Lasten, wie zum Beispiel Power-to-Heat Anlagen oder Wärmepumpen.

Zwei Kernfragen dieses Konzepts werden dabei analysiert: Erstens, gibt es in den deutschen Verteilnetzen genügend Flexibilität, um jene für einen kurativen Übertragungsnetzbetrieb zu nutzen? Und zweitens, wie kann ein Verteilnetzbetreiber die Flexibilität seines Netzes berechnen, die sicher bereitgestellt werden kann? Beide Fragen werden methodisch unabhängig voneinander bearbeitet, da es bei der ersten um eine Potentialabschätzung in zukünftigen Energiesystemen geht, bei der zweiten aber um die tatsächliche Anwendung in bereits real existierenden Stromnetzen.

Um die erste Kernfrage zu erforschen, wird ein Energiesystemmodell für Deutschland im Jahr 2030 erstellt und die verfügbare Flexibilität für den kurativen Übertragungsnetzbetrieb berechnet. Dabei werden Zeitpunkte ausgewählt, in denen ein Ausfall von Übertragungskapazität zu kritischen Zuständen im Netz führt und die verfügbare Flexibilität in den an den kritischen Korridor angrenzenden Regionen berechnet.

Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere Power-to-Heat wertvolle Flexibilität in den Situationen bieten kann, in denen Übertragungskapazitätsverluste zu kritischen Zuständen führen. Zusammen mit Flexibilität aus Windkraft reicht die von beiden Technologien bereitgestellte Leistung, um in 40 % dieser Situationen die Netzbelastung wieder auf sichere Werte zu reduzieren. In den übrigen 60 % der Situationen muss entweder die für eine kurative Netzbetriebsführung notwendige Flexibilität aus anderen Quellen ergänzt werden oder das Netz weniger stark ausgelastet werden.

Die zweite Kernfrage wird durch die Entwicklung eines schnellen und robusten Optimierungsansatzes zur Netzbetriebsführung ergründet. Durch die Optimierung werden die Flexibilitäten der einzelnen Erzeuger und Lasten so eingesetzt, dass ein sicherer Zustand im Flexibilität bereitstellenden Verteilnetz gewährleistet ist. Die hierbei hergeleitete analytische Lösung der Netzrandbedingungen die einen sicheren Netzzustand garantieren, kann als untergeordnetes Problem der Optimierung eingebunden werden, sodass ein großer Teil des Gesamtproblems bereits vor Optimierung berechnet werden kann. Die Robustheit des Ansatzes zeigt sich dabei nicht nur durch die garantierte Einhaltung von Randbedingungen, sondern auch durch ein stabiles Konvergenzverhalten. Diese Methode wird sowohl auf einem einfachen Testnetz als auch einem realen Verteilnetz erfolgreich getestet.

Diese Arbeit zeigt, dass Flexibilität aus den Verteilnetzen sowohl in den für den kurativen Netzbetrieb relevanten Größenordnungen vorhanden ist, als auch für einen solchen genutzt werden kann. Der hier entwickelte Ansatz zur Berechnung und Bereitstellung von Flexibilität kann auf realen Netzen zur Anwendung gebracht werden und bietet durch die inhärenten Robustheitsbedingungen die notwendige Sicherheit und Geschwindigkeit, um in einer kurativen Netzbetriebsführung genutzt zu werden.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-218876
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Technology and Economics of Multimodal Energy Systems (MMES)
Date Deposited: 16 Aug 2022 11:15
Last Modified: 18 Aug 2022 06:27
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21887
PPN: 498335151
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