Balancing the Power Grid Using Adjustable, Mobile Power Plants and Thermal Batteries

Abstract

Hovedmålet for denne oppgaven er å undersøke hvordan justeringer av komposisjon av et hybrid energisystem (HES), bestående av to typer av kraftproduksjon og to typer av energilagring, kan påvirke kraftbalansen i systemet. Justeringene fokuserer på analyse av systemets evne til å kompensere for etterspørsel på land og for ubalanse i kraftproduksjon forårsaket av økt andel av intermitterende vindkraftproduksjon.

Denne oppgaven er en case-studie. Det ble utviklet tre scenarier med gradvis økt kompleksitet i HES-systemet. Hvert scenario har tre modifikasjoner i form av caser, noe som gir totalt ni caser for HES-effektbalanse-simuleringen.

Scenario I ser på offshore del av det hybride energisystemet. Scenario II ser på hvordan offshore delen av det hybride energisystemet klarer å balansere kraftbehovet til onshore delen, Sørlandet. Scenario III ser på en utvidelse av Scenario II basert på fremtidsplaner om vindpark i Sørlige Nordsjø.

Alle caser er skapt ved hjelp av justering av parametere til de tilsvarende scenarioene. Tilfeller av Scenario I ser på kraftsituasjonen under dominans av enten justerbar eller ikke-justerbar, intermitterende kraft. Cases of Scenario II ser på kraftsituasjonen under dominans av den ene eller den andre av de to typene energilagring. Cases of Scenario III ser på kraftsituasjonen ved økt bruk av en spesifikk type energilagring.

Alle casene er simulert i Simulink og videre evaluert ved hjelp av et egendefinert system av effekttilstander. Resultatene presenteres grafisk i form av kakediagrammer, som viser distribusjon av krafttilstander, og i form av diagrammer, som viser timeverdier for kraftbalanse.

Det påpekes noe usikkerhet i det definerte systemet av effekttilstander. Årsaken til usikkerheten er identifisert i logisk kontroll til termisk lagring.

Resultatene indikerer minimal effekt av batterilagringsteknologi som et middel for å balansere en vindpark.

Siste kapittelet gir flere forslag til videre arbeid i form av konkrete utbedringer av oppbygging av HES-systemet og eventuelt systemets utvidelse.

The main objective for this thesis is to investigate how adjustments of composition of a hybrid energy system, consisting of two types of power production and two types of energy storage, affect power balance in the system. The composition adjustments focus on analysis of the systems ability to compensate for onshore demand and for imbalance in power production caused by increased share of intermittent wind power production.

This thesis is a case study. There were developed three scenarios of the HES system with gradually increased complexity. Each Scenario has three modifications in form of cases, giving a total of nine cases for the HES power balance simulation.

Scenario I represents offshore part of hybrid energy system, Scenario II represents hybrid energy system balancing onshore power and Scenario III represents an expansion based on plans for future.

Scenario I looks at the offshore part of the hybrid energy system. Scenario II looks at how the offshore part hybrid energy system manages to balance the power demand of the onshore part, Southern Norway. Scenario III looks at an expansion of Scenario II based on future plans for a wind farm in the Southern North Sea.

All cases are created by adjusting parameters to the corresponding scenarios and give results in form of power difference and distribution of states. Cases of Scenario I looks at power situation under domination of either adjustable or non-adjustable, intermittent, power. Cases of Scenario II looks at power situation under dominance of one or the other of the two types of energy storage. Cases of Scenario III looks at power situation in case of increased use of a specific type of energy storage.

All cases are simulated in Simulink and further evaluated using a custom made system of power states. Results are graphically presented in form of pie charts, showing distribution of power states, and in form of charts, showing hourly values of power balance.

Some uncertainty in the defined system of effect states is pointed out. Cause of the uncertainty is identified in logic control of thermal storage.

The results indicate minimal effect of battery storage technology as a means of balancing a wind farm.

The last chapter gives several suggestions for further work in the form of concrete improvements of the HES structure and possibly an expansion of the system.