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 produksjonsmiksen gir og samtidig ivareta sikker og effektiv drift. En mulig løsning er å installere energilagringsenheter, som f.eks. batterier, i distribusjonsnettet.

Det er mange utfordringer med å finne en optimal plassering og dimensjonering av batterier i et distribusjonsnett, blant annet fordi det å framstille kraftnettverket matematisk gir en matematisk ulineæritet, videre er det ofte mangel på gode data, det er vanskelig prediktere utviklingen av batteripriser osv. Det finnes imidlertid flere måter å løse batteri optimeringsproblemet. I denne masteroppgaven har jeg valgt å bruke en mixed integer programming (MIP) energi basert modell. I dette tilfelle innebærer det å bruke energibalanse samtidig som en henter statiske data om kraftnettverket fra et stillbilde av en power flow analyse. Målet med masteroppgaven er å minimere de totale strømkostnadene samtidig som en dekker energi behovet til hus og industri i bestemte distribusjonsnett. Mer presist ønsker jeg å undersøke en type distribusjonsnett som ikke har blitt analysert tidligere – en kombinasjon av lav- og mellomspenningsnett.

Overordnet viser resultatene at det er økonomisk fordelaktig å installere batterier i distribusjonsnett som kombinerer lav- og mellomspenning, og at flesteparten av batteriene plasseres nærme noder med høy energiettersørsel. Den optimale batteriplasseringen i lav og mellomspenning er imidlertidig svært følsom når prisforskjellen økes litt mellom batterier som bare kan installeres i lavspenningsnettet og batterier som bare kan installeres i mellomspenningsnettet. Videre viser funnene at den totale batterikapasiteten reduseres når andelen av fornybare energiressurses øker. Batterikapasiteten synes først og fremst å bli påvirket av mengden av fornybar energiproduksjonen, mens plasseringen av batteriene påvirkes mest av forskjellen på batterikostnadene. Når det gjelder forskjellige nettverkstopologi (Loop og Radialt) viser imidlertid resultatene at de har mindre effekt på størrelsen og plasseringen av batteri.

The deployment and adoption of solar and wind power are leading to a radical reorganisation of the current power system. It is therefore important to find solutions that can exploit the opportunities of the production-mix and at the same time ensure a safe and efficient power 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. Batteries will likely become affordable and have a widespread use for different power system services. Batteries provide flexibility to maintain a stable supply-demand balance. Related research has analysed the role of battery in distribution grids, but have not consider coordination between different power system layers. Raising the questions: where and what size to invest in battery storage? Should batteries be placed in the low-voltage or medium-voltage grid (or both)? To address these questions, this thesis has developed a new model that specifically represents both medium voltage and low voltage grids. It is a multi-layer grid designed for battery investments by considering short term operational decisions. The multi-layer grid model is a mixed integer program that minimises the total cost of electricity while supplying the energy demand of houses and industry in various distribution networks. The thesis analyses and investigates a distribution network problem that 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 grids combining 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 cost difference between the batteries in the low and medium voltage grid. Furthermore, the findings show that the total battery capacity decrease when the proportion of renewable energy increase. The battery capacity seems to be primarily affected by the amount of renewable energy production, while the placement of the batteries is most effected by the difference in costs between low and medium voltage batteries. When it comes to different network topology (Loop and Radial), the results show that they have less effect on the battery placement and size decisions.