A Practical Application of an Active Distribution Grid Planning Framework in Relation to a Pilot Area for New Energy Solutions

Abstract

Oppgaven er relatert til utbyggingen av et område i Bodø, kalt Molobyen, og er tilknyttet FME CINELDIs pilotprosjekt «Development area Molobyen». Målet med oppgaven har vært å undersøke ulike måter å koble Molobyen til distribusjonsnettet på, basert på tekniske og økonomiske betraktninger. Det foreligger også et fokus på bruk av fleksibilitetsløsninger, som batterier. Som en følge av dette, har et rammeverk for nettplanlegging, som kombinerer elementer fra tradisjonell nettplanlegging og fra planlegging av aktive distribusjonsnett i forskningslitteraturen, blitt etablert. Det er også utviklet en optimeringsmodell for bruk av batteri, for å kartlegge operasjonelle fordeler ved batteribruk i nettet.

Ved å benytte tidsserier fra en energisystemanalyse, utført i FME ZEN, har forventet lastbehov og solcelleproduksjon for Molobyen blitt modellert. Videre, så har ulike alternativer for å koble området til omkringliggende nett blitt definert, hvorpå det er gjennomført lastflytanalyser. Hovedformålet med disse har vært å sørge for sikker drift av nettet, samt å beregne tap, for de ulike alternativene. Fra disse analysene ble det klart at det for flere av alternativene, var høy solcelleproduksjon som førte til maksimal belastning i nærliggende kabler og transformatorer. Spesielt i sommermånedene ble store mengder kraft sendt tilbake ut på nettet. Som en følge av dette, måtte den tradisjonelle metoden for å beregne tapskostnader justeres. Deretter ble investeringskostnader for de ulike alternativene beregnet og samfunnsøkonomiske analyser gjennomført, hvorpå de ulike systemløsningene kunne rangeres.

Den mest lovende systemløsningen som inkluderte bruk av batteri, var omtrent 3% dyrere enn den optimale løsningen, som omhandlet oppgradering av transformatorer. Fra et økonomiske perspektiv er systemløsningene dermed sammenliknbare, men fra et teknisk perspektiv var ikke nevnte batteriløsning i stand til å redusere maksimal belastning av nærliggende transformatorer tilstrekkelig. Dermed vil den mer tradisjonelle løsningen (oppgradering av trafoer) være å foretrekke, både fra et teknisk og økonomisk perspektiv.

Avslutningsvis, de viktigste bidragene fra dette arbeidet omhandler det etablerte rammeverket for nettplanlegging, optimeringsmodellen for batteribruk og den reviderte metoden for å beregne tapskostnader.

The work performed is based around the development of an area in Bodø, referred to as Molobyen, and is related to the FME CINELDI pilot project “Development area Molobyen”. The overall objective has been to investigate alternative ways of connecting this area to the grid, considering both technical and economic aspects, with a focus on including flexibility solutions (e.g. batteries). In order to do so, a grid planning framework combining elements from traditional grid planning and from active grid planning frameworks in the research literature, has been proposed. Also, to capture the operational benefits of batteries, a model for battery optimal dispatch was developed.

By utilizing time series from an energy system analysis performed in FME ZEN, load demand and solar PV generation of the area were modelled, before alternatives for connecting the area to the grid were defined. If these alternatives included batteries, the model for battery optimal dispatch was utilized. From there on, power flow analyses were performed in order to ensure no technical constraint violations, as well as to calculate power losses. For several alternatives, PV generation turned out to be the dimensioning factor of nearby transformers and cables, as large amounts of power were fed back to the grid during summer months. Due to this, some alterations had to be made to the traditional approach for calculating cost of losses. By also calculating investment costs, socio-economic analyses were performed and the different system solutions ranked.

The most promising system solution involving batteries was only about 3% more expensive than the optimal solution, which involved upgrading nearby transformers. However, it suffered from not being capable of reducing the maximum loading of nearby transformers, caused by PV generation, sufficiently. Hence, to connect the area of Molobyen to the grid, the more traditional approach of upgrading the nearby transformers appeared as a better solution, both from a technical and economic perspective.

Finally, the main contributions of this work are related to the proposed grid planning framework, the model for battery optimal dispatch and the method for calculating cost of losses.