Συμβολή της αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας στην επάρκεια ισχύος των ηλεκτρικών συστημάτων

Abstract

The fundamental objective of this thesis is to evaluate the contribution of energy storage to the capacity adequacy of power systems. To this end, a comprehensive stochastic model for resource adequacy assessment (RAA) is initially developed, based on Monte Carlo simulation technique. Alternative methods for incorporating energy storage into RAA models, as described in the international literature, are introduced and elaborated, along with defining the concept of capacity credit, which indicates the share of storage capacity contributing to system adequacy. In the first part of this thesis, the contribution of storage to capacity adequacy is assessed under a variety of scenarios that enable the evaluation of different factors affecting the capacity credit of storage facilities. This analysis implements a storage management policy aimed at minimizing unserved load, as is common in literature. The parametric analysis examines factors such as the characteristics of storage facilities and the features of the power system in which they are integrated. Specifically, the scenarios explore different technologies (e.g., pumped hydro storage stations and battery storage systems), sizes (power and energy capacity), round trip efficiency levels, and reliability levels of storage facilities. The analysis also considers varying conditions for the development of renewable energy sources (RES) in the system, including the technology mix and penetration levels, and investigates the impact of system adequacy levels and the reliability characteristics of generation units on the estimated contribution of storage to adequacy. The contribution of storage to system capacity adequacy largely depends on how it is managed. Identifying the limitations and shortcomings of existing approaches, in the second part of this thesis, a novel approach for integrating stand-alone storage facilities into stochastic resource adequacy assessment models is proposed and developed. The new methodology is based on the management of storage facilities according to their participation in electricity markets, subject to real-time redispatch according to system needs, in order to maximize their contribution to capacity adequacy during generation system failures that may cause power deficits. In case of real-time contingencies, a realistic operating profile is generated for energy storage systems aiming to enhance system reliability by mitigating loss of load events, while maintaining their market schedule to the extent possible. Unlike traditional methods in the literature, the proposed approach does not rely on perfect foresight for future occurrences such as generator failures, nor does it utilize single-dimensional adequacy-focused management strategies that are disconnected from regular operation of the assets. Instead, storages normally follow a market-driven schedule, being redispatched in real-time when necessary for capacity adequacy purposes, considering their energy and power capacity limitations. The proposed methodology is applied to battery energy storage station configurations of different sizes to calculate system reliability levels and the capacity credit of storage. Additionally, a comparative analysis is conducted between the proposed methodology and existing approaches in the literature for integrating storage into resource adequacy assessment models. This includes interpreting and evaluating system adequacy outcomes and the contribution of storage to adequacy under alternative methodologies. However, beyond adequacy results, the analysis extends to a holistic evaluation of storage’s role in system operation and cost. Following, the proposed real-time redispatch method is extended to battery energy storage systems deployed behind-the-meter of renewable energy facilities, specifically photovoltaic (PV) stations. The dispatch schedule, which represents the scheduled participation of PV-plus-battery stations in the market, is designed to maximize their market revenue but can be modified in real-time by applying the developed redispatch method, if generation shortfall events take place, to enhance the contribution of generation and storage assets to capacity adequacy. Alongside the proposed method, existing dispatch approaches from the literature for such stations are developed and implemented within resource adequacy assessment models, demonstrating that these approaches define the range of potential contribution of PV-plus-battery stations to capacity adequacy. The proposed and existing methods are applied to various alternative PV-plus-battery configurations, and the system adequacy levels, as well as the capacity credit of the stations are computed and compared under each alternative. The capacity adequacy contribution of batteries integrated into PV stations is compared to that of stand-alone battery storage facilities, applying the proposed real-time redispatch methodology in both cases.

Βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η αξιολόγηση των δυνατοτήτων συμβολής της αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας στην επάρκεια ισχύος των συστημάτων παραγωγής. Για το σκοπό αυτό αρχικά αναπτύσσεται πλήρες στοχαστικό μοντέλο εκτίμησης της επάρκειας ισχύος βασιζόμενο στην τεχνική προσομοιώσεων Monte Carlo. Εν συνεχεία παρουσιάζονται και αναπτύσσονται οι κυρίαρχες εναλλακτικές προσεγγίσεις για την εισαγωγή της αποθήκευσης στις μεθοδολογίες εκτίμησης της επάρκειας ισχύος που είναι σήμερα διαθέσιμες στη διεθνή βιβλιογραφία και ορίζεται η έννοια της ικανότητας συνεισφοράς σε ισχύ (capacity credit), που εκφράζει το ποσοστό της ισχύος των συστημάτων αποθήκευσης που συνιστά συμβολή στην επάρκεια του συστήματος. Στο πρώτο μέρος της εργασίας εκτιμάται η συμβολή της αποθήκευσης στην επάρκεια ισχύος, για ένα σύνολο εναλλακτικών σεναρίων που επιτρέπουν να αξιολογηθεί η επίδραση διαφορετικών παραγόντων στο capacity credit των αποθηκευτικών σταθμών. Στην ανάλυση αυτή εφαρμόζεται πολιτική διαχείρισης της αποθήκευσης που αποσκοπεί στην ελαχιστοποίηση του μη εξυπηρετούμενου φορτίου, όπως είθισται στη βιβλιογραφία. Παράγοντες που αξιολογούνται στο πλαίσιο της παραμετρικής ανάλυσης περιλαμβάνουν τα χαρακτηριστικά των αποθηκευτικών σταθμών και του συστήματος στο οποίο αυτοί εισάγονται. Συγκεκριμένα, εξετάζονται εναλλακτικά σενάρια τεχνολογίας (σταθμοί αντλησιοταμίευσης και συσσωρευτών), μεγέθους (ισχύος και χωρητικότητας), βαθμού απόδοσης και αξιοπιστίας των σταθμών αποθήκευσης, διαφορετικές καταστάσεις ανάπτυξης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) του συστήματος, όσον αφορά το μείγμα των τεχνολογιών και το επίπεδο διείσδυσής τους, ενώ εξετάζεται επιπλέον η επίδραση του επιπέδου επάρκειας του συστήματος και των χαρακτηριστικών αξιοπιστίας των μονάδων παραγωγής του στη υπολογιζόμενη συμβολή της αποθήκευσης στην επάρκεια ισχύος. Η συμβολή της αποθήκευσης στην επάρκεια ισχύος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τρόπο διαχείρισής της. Εντοπίζοντας τους περιορισμούς των διαθέσιμων προσεγγίσεων της βιβλιογραφίας, στο δεύτερο μέρος της εργασίας καταστρώνεται και αναπτύσσεται πρωτότυπη μεθοδολογία ενσωμάτωσης των αποθηκευτικών σταθμών στα στοχαστικά μοντέλα εκτίμησης της επάρκειας ισχύος των ηλεκτρικών συστημάτων. Η νέα μεθοδολογία έχει ως αφετηρία τη διαχείριση των αποθηκευτικών σταθμών με βάση τη συμμετοχή τους στις αγορές ηλεκτρισμού, η οποία υπόκειται σε ανακατανομή πραγματικού χρόνου (real-time redispatch) σύμφωνα με τις ανάγκες του συστήματος, ώστε να μεγιστοποιηθεί η συμβολή τους στην επάρκεια ισχύος όταν προκύπτουν γεγονότα βλαβών στα στοιχεία του συστήματος παραγωγής, που ενδέχεται να δημιουργήσουν έλλειμμα ισχύος. Στις καταστάσεις αυτές, η λειτουργία των αποθηκευτικών σταθμών τροποποιείται σε πραγματικό χρόνο με στόχο τη μείωση των περικοπών φορτίου, επιδιώκοντας παράλληλα την ελάχιστη δυνατή απόκλιση από το πρόγραμμα κατανομής βάσει του οποίου οι σταθμοί συμμετέχουν στην αγορά. Σε αντίθεση με τις συνήθεις προσεγγίσεις της βιβλιογραφίας, η προτεινόμενη μέθοδος δεν βασίζεται στην τέλεια πρόβλεψη μελλοντικών συμβάντων αξιοπιστίας, ούτε καταφεύγει σε μονοδιάστατες στρατηγικές διαχείρισης της αποθήκευσης, αμιγώς προσανατολισμένες στην ενίσχυση της επάρκειας του συστήματος, οι οποίες δεν αντικατοπτρίζουν μία ρεαλιστική πολιτική διαχείρισης οντοτήτων που συμμετέχουν στις αγορές. Αντίθετα, οι μονάδες αποθήκευσης ακολουθούν υπό κανονικές συνθήκες το πρόγραμμα κατανομής που υπαγορεύεται από τη συμμετοχή τους στις αγορές, από το οποίο δύνανται να παρεκκλίνουν σε πραγματικό χρόνο, όταν αυτό είναι απαραίτητο για λόγους επάρκειας. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται για διαμορφώσεις σταθμών συσσωρευτών διαφορετικών μεγεθών και υπολογίζεται το επίπεδο αξιοπιστίας του συστήματος καθώς και το capacity credit των επιμέρους σταθμών, ενώ πραγματοποιείται συγκριτική αξιολόγησή της σε σχέση με τις διαθέσιμες τεχνικές της βιβλιογραφίας. Παράλληλα με την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων επάρκειας, η ανάλυση επιτρέπει τη συνολικότερη αποτίμηση της συμβολής της αποθήκευσης στη λειτουργία και το κόστος παραγωγής ενός ηλεκτρικού συστήματος. Στη συνέχεια, η προτεινόμενη μέθοδος ανακατανομής σε πραγματικό χρόνο επεκτείνεται σε συστήματα μπαταριών που αναπτύσσονται κατάντη του μετρητή (behind-the-meter) σε φωτοβολταϊκούς (Φ/Β) σταθμούς. Το πρόγραμμα κατανομής βάσει του οποίου οι Φ/Β σταθμοί με μπαταρία συμμετέχουν στην αγορά καταστρώνεται με στόχο τη μεγιστοποίηση των εσόδων τους και τροποποιείται σε πραγματικό χρόνο σύμφωνα με τις ανάγκες ισχύος του συστήματος, με εφαρμογή της μεθόδου ανακατανομής που αναπτύχθηκε. Παράλληλα με την προτεινόμενη μέθοδο εφαρμόζονται και οι υφιστάμενες στη βιβλιογραφία προσεγγίσεις κατανομής τέτοιων σταθμών στο πλαίσιο των μοντέλων εκτίμησης της επάρκειας και δείχνεται ότι οι προσεγγίσεις αυτές οριοθετούν το εύρος της δυνατής συμβολής των Φ/Β με μπαταρία στην επάρκεια ισχύος ενός συστήματος. Η προτεινόμενη και οι υφιστάμενες μέθοδοι εφαρμόζονται για πλήθος εναλλακτικών διαμορφώσεων Φ/Β με μπαταρία και υπολογίζονται και συγκρίνονται τα επίπεδα επάρκειας του συστήματος και το capacity credit των σταθμών υπό κάθε εναλλακτική. Η συμβολή στην επάρκεια ισχύος μπαταριών που ενσωματώνονται σε Φ/Β σταθμούς συγκρίνεται με αυτή αντίστοιχων αυτόνομων σταθμών μπαταριών, εφαρμόζοντας και στις δύο περιπτώσεις την προτεινόμενη μεθοδολογία ανακατανομής πραγματικού χρόνου.