A multi-layer power grid model for distribution systems (MV and LV): Where and what size to invest in Battery Storage?
Abstract
Implementering av sol og vindkraft krever en radikal omlegging av dagens kraftsystem.Det er derfor viktig å finne løsninger som kan utnytte mulighetene den nye produksjonsmiksengir og samtidig ivareta sikker og effektiv drift. En mulig løsning er å installereenergilagringsenheter, som f.eks. batterier, i distribusjonsnettet.
Det er mange utfordringer med å finne en optimal plassering og dimensjonering av batterieri et distribusjonsnett, blant annet fordi det å framstille kraftnettverket matematiskgir en matematisk ulineæritet, videre er det ofte mangel på gode data, det er vanskeligprediktere utviklingen av batteripriser osv. Det finnes imidlertid flere måter å løse batterioptimeringsproblemet. I denne masteroppgaven har jeg valgt å bruke en mixed integer programming(MIP) energi basert modell. I dette tilfelle innebærer det å bruke energibalansesamtidig som en henter statiske data om kraftnettverket fra et stillbilde av en power flowanalyse. Målet med masteroppgaven er å minimere de totale strømkostnadene samtidigsom en dekker energi behovet til hus og industri i bestemte distribusjonsnett. Mer presistønsker jeg å undersøke en type distribusjonsnett som ikke har blitt analysert tidligere – enkombinasjon av lav- og mellomspenningsnett.
Overordnet viser resultatene at det er økonomisk fordelaktig å installere batterier i distribusjonsnettsom kombinerer lav- og mellomspenning, og at flesteparten av batterieneplasseres nærme noder med høy energiettersørsel. Den optimale batteriplasseringen i lav ogmellomspenning er imidlertidig svært følsom når prisforskjellen økes litt mellom batteriersom bare kan installeres i lavspenningsnettet og batterier som bare kan installeresi mellomspenningsnettet. Videre viser funnene at den totale batterikapasiteten reduseresnår andelen av fornybare energiressurses øker. Batterikapasiteten synes først og fremst åbli påvirket av mengden av fornybar energiproduksjonen, mens plasseringen av batterienepåvirkes mest av forskjellen på batterikostnadene. Når det gjelder forskjellige nettverkstopologi(Loop og Radialt) viser imidlertid resultatene at de har mindre effekt på størrelsenog plasseringen av batteri. The deployment and adoption of solar and wind power are leading to a radical reorganisationof the current power system. It is therefore important to find solutions that can exploitthe opportunities of the production-mix and at the same time ensure a safe and efficientpower system. One possible solution is to install energy storage devices, such as batteries,in the distribution network.
Battery storage costs are projected to decrease dramatically within the next decade. Batterieswill likely become affordable and have a widespread use for different power systemservices. Batteries provide flexibility to maintain a stable supply-demand balance. Relatedresearch has analysed the role of battery in distribution grids, but have not considercoordination between different power system layers. Raising the questions: where andwhat size to invest in battery storage? Should batteries be placed in the low-voltage ormedium-voltage grid (or both)? To address these questions, this thesis has developed anew model that specifically represents both medium voltage and low voltage grids. It isa multi-layer grid designed for battery investments by considering short term operationaldecisions. The multi-layer grid model is a mixed integer program that minimises the totalcost of electricity while supplying the energy demand of houses and industry in variousdistribution networks. The thesis analyses and investigates a distribution network problemthat has not been analysed previously - a combination of low and medium voltage network.
Overall, the results reveal that it will be economic beneficial to install batteries in gridscombining medium and low voltage, and most batteries close to the highest energy demand.The optimum battery placement, in the different grids, is very sensitive to costdifference between the batteries in the low and medium voltage grid. Furthermore, thefindings show that the total battery capacity decrease when the proportion of renewableenergy increase. The battery capacity seems to be primarily affected by the amount ofrenewable energy production, while the placement of the batteries is most effected by thedifference in costs between low and medium voltage batteries. When it comes to differentnetwork topology (Loop and Radial), the results show that they have less effect on thebattery placement and size decisions.