Co-Simulation Model for Optimal Wind-Hydro Coordination Using Wind Farm Control Dynamics: A Case Study of a Hybrid Wind and Hydro Plant System
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3094646Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for elkraftteknikk [2412]
Sammendrag
Den økende andelen variabel fornybar energi i kraftsystemene medfører utfordringer for reguleringsmyndigheter, nettoperatører og energiprodusenter. Variable energikilder har begrenset fleksibilitet i driften sin, da de er sterkt avhengige av omgivelsene. Videre må man ta hensyn til teknisk pålitelighet og kraftsvingninger. For å håndtere disse utfordringene må beslutningstakere vurdere flere målsetninger. Blant disse er inntekter, kraftsystemtjenester og mekanisk belastning på vindturbiner. Koordinert drift av flere kraftverk og ulike kontrollstrategier for vindparker er eksempler på tiltak som kan bidra til å oppnå disse målene.
Denne studien presenterer en modell for flerobjektiv lineær programmering for å simulere optimal drift av vind- og vannkraftverk som deler begrenset overføringskapasitet. Videre inkluderes kontrolldynamikker for windparken for å oppnå realistisk resultater for kraftproduksjon og akkumulert skade på vindturbinene. Dette resulterer i en samkjørende simuleringsmodell for optimal koordinering av vind- og vannkraft. Basert på dette presenteres en referansestudie basert på en relevant lokasjon i Norge for å analysere den forbedrede effekten av vind-vannkraft koordinering og vindparkkontroll, med tanke på objektivene for akkumulert skade på vindturbiner og total inntekt for det hybride kraftsystemet. Studien vurderer også de potensielle fordelene ved å legge til en pumpe med mulighet for varierende hastighet i vannkraftverket ved bruk av en forenklet tilnærming der kun inntekt som objektiv for optimeringsproblemet.
Resultatene viser potensielle forbedringer i den samlede ytelsen ved å bruke flere motstridende objektiver i optimaliseringen i stedet for kun et objektiv. Ved å utnytte fleksibiliteten fra lagring i vannmagasin og kontrollstrategier for vindparken, kan beslutningstakerene gjøre tilpassninger for å oppnå ønsket resultat. Målsetningene til de to objektivene er motstridende, der den optimale løsningen for å minimere skadeakkumulering resulterer i en reduksjon på 74.3 % i total inntekt, noe som ikke er økonomisk levedyktig for en kraftprodusent. Imidlertid kan betydelig reduksjon i skade oppnås fra andre kandidater. For eksempel viser resultatene at når man utnytter seg av koordinert produksjon og gir inntekten høyere prioritet i optimaliseringsprosessen, kan den akkumulerte skaden reduseres med 8.2 %, med en betydelig mindre nedgang på 5.84 % i inntekt.
Videre viser den økte fleksibiliteten ved å bruke en pumpe til å transportere vann til lagring i magasinet store forbedringer på opptil 5.6 % i samlet inntekt for kraftverkene og en reduksjon i ubenuttet vindpotensial til om lag 36 % sammenlignet med resultater oppnådd uten bruk a pumpe. Imidlertid er fordelen svært sensitiv for variasjoner i strømprisene, noe som er demonstrert ved simuleringer som bruker historiske spotpriser fra 2019 og 2021. Videre observeres det mindre påvirkning på resultatene ved bruk av en pumpe med mulighet for variabel hastighet sammenlignet med en pumpe med fast hastighet. The growing share of Variable Renewable Energy Sources (VRES) in power systems presents challenges for regulators, grid operators and energy producers. The VRES’ have limited flexibility in their operations, as they are highly dependent on ambient environments. Further, issues of technical reliability and power fluctuations should be considered. To address these challenges, decision-makers must consider multiple objectives. Among these are revenue, power system services and mechanical load on wind turbines. Coordinated operation of power plants and different wind farm control strategies are examples of measures that can benefit these objectives.
This study proposes a Multi-Objective Linear Programming (MOLP) model to simulate the optimum operation of wind and hydropower plants that share limited transmission capacity. Further, wind farm control dynamics are included to obtain realistic output power and accumulated damage. Resulting in a co-simulation model for optimal wind and hydropower coordination. From this, a case study based on a relevant location in Norway is presented to analyze the improved effect of wind-hydro coordination and wind farm control in achieving the objectives of accumulated wind turbine damage and total revenue of the hybrid power system. In addition, the study considers the potential advantages of adding a variable speed pump to the hydropower plant using a baseline approach of single-objective optimization.
The results demonstrate the potential improvements in the overall performance by using multiple conflicting objectives in the optimization rather than a single objective. By utilizing the flexibility of hydro storage and control options for the wind farm, the decision maker may adjust to obtain the most desired outcome. The objectives are conflicting, where the optimal solution for minimizing damage accumulation results in a reduction by 74.3 % for the total revenue, which is not an economically viable solution. However, a significant reduction in damage may be obtained from other candidates. For example, when considering coordinated operations and granting the revenue a higher priority in the optimization process, the results show that the accumulated damage can be reduced by 8.2 %, with a substantially less decline of 1.5 % in revenue.
Moreover, the added flexibility provided by utilizing a pump for hydro storage offers great benefits, including improvements as high as 5.6 % in the combined revenue of the power plants and a reduction in wind energy curtailments to approximately 36% compared to results obtained without Pumped Hydro Storage (PHS). However, the benefit is highly sensitive to the variations in the power prices, showcased by simulations using historical spot prices from 2019 and 2021. Furthermore, less impact is observed from using a variable speed pump compared to a fixed speed pump.