Modelling of the Flexibility of the Swedish Power System

• Main Author: Li, Ying
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Elektriska energisystem 2014
• Subjects: flexibility; short-term planning; hydropower; thermal power
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-154569

This master thesis studies the flexibility of Swedish power system. Because of the increase of fuel price and the environmental issues, renewable energy plays an increasingly important role. Sweden parliament has a planning frame of 30 TWh wind power energy per year in 2020. Wind power generation is largely dependent of wind speed. Since wind speed varies all the time and is hard to be predicted, the introduction of wind power will cause variation of power generation which needs to be balanced. Therefore, it is very important to study the regulation capacity of the power system in order to balance wind power. In Sweden, it is hydropower and thermal power that plays the role as balancing power. In earlier studies at Department of Electric Power Systems KTH, a model has been built to examine the flexibility of Swedish hydropower system. The aim of this thesis is to further develop this original model. In the improved model, the flexibility of thermal power in Sweden is included. Moreover, the improved model further considers the future value of stored water and the impact of delayed running water released from the upstream power plants at the end of simulated week. The whole model is a large short-time planning problem and the objective of this model is to maximize the profits. In this thesis, the profit is expressed as the future value of hydropower minus the generation cost of thermal unit. Besides, the profit also includes the income and the cost for the trading energy. The improved model is built as an optimization problem in GAMS. The time step is one hour and the time span of each simulation is one week. The load consumption and wind power production in each area are given as time series. The constraints considered in this model include the generation limitations, operational constraints of thermal power plants, hydrological coupling of hydropower plants, load balance in each bidding area and transmission capacity. Several case studies are performed in this thesis. Two models, both original model and improved model, will be tested. To find out how large the regulation capacity the Swedish power system has, four different expansion levels of wind power: 0 MW, 4000 MW, 8000 MW and 12000 MW are introduced. The information regarding hydropower is obtained from statistic data in 2009 and the wind power data for each week is coming from scaling the data in earlier studies. The operational constraints of thermal power plants are based on the statistics data from 2008 to 2012. The main finding from these case studies is that spillage will not increase when more wind power is introduced to the system but only increase when the export capacity is reached and the surplus power cannot be exported to other countries. Therefore, it can be concluded that the Swedish power system has good possibilities to balance large amounts of wind power. However, some simplifications and assumptions are made when the model is built, which will give rise to some inaccuracy to the result. Therefore, in the end of this thesis, some future studies are suggested to further improve this model. === I detta examensarbete studeras flexibiliteten i det svenska elsystemet. På grund av ökande bränslepriser och miljöproblem kommer betydelsen av förnybar energi att öka. Den svenska riksdagen har beslutat om ett planeringsmål på 30 TWh vindkraft till år 2020. Elproduktionen från vindkraft beror på vindhastigheten. Eftersom vindhastigheten varierar hela tiden och är svår att förutsäga, medför en ökning av vindkraften variationer i elproduktionen som måste balanseras. Därför är det mycket viktigt att studera elsystemets förmåga att balansera vindkraft. I Sverige sköts denna balansering av vattenkraft och termiska kraftverk. I tidigare studier vid Avdelningen för elektriska energisystem, KTH, har en modell utvecklats för att studera flexibiliteten i det svenska vattenkraftsystemet. Målsättningen med detta arbete är att vidareutveckla den ursprungliga modellen. I den förbättrade modellen inkluderas flexibiliteten i de svenska termiska kraftverken. Dessutom tar den förbättrade modellen hänsyn till värdet av sparat vatten och inverkan av vatten som rinner mellan två kraftverk i slutet av den simulerade veckan. Hela modellen är att stort kotttidsplaneringsproblem och målfunktionen i denna modell är att maximera vinsten. I det här arbetet uttrycks vinsten som värdet av sparat vatten minus produktionskostnaderna i de termiska kraftverken. Dessutom ingår inkomster och konstnader för elhandel. Den förbättrade modellen är uppbyggd som ett optimeringsproblem i GAMS. Tidssteget är en timme och varje simulering omfattar en vecka. Lasten och vindkraftproduktionen i varje område är givna som tidsserier. De bivillkor som ingår i denna modell är begränsningar i elproduktion, driftbegränsningar i termiska kraftverk, hydrologisk koppling mellan vattenkraftverk, lastbalans i varje område och transmissionsbegränsningar. Flera fallstudier genomförs. Två modeller, den ursprungliga och den förbättrade, testas. För att undersöka hur stor balanseringsförmåga det svenska elsystemet har undersöks fyra olika nivåer på vindkraftsutbyggnad: 0 MW, 4000 MW, 8000 MW och 12000 MW. Data för vattenkraften erhålls från statistik för 2009 och vindkraftsdata är skalade data från tidigare studier. Driftbegränsningarna i termiska kraftverk baseras på statistik från 2008 till 2012. Den viktigaste slutsatsen från dessa studier är att spillet inte ökar då mer vindkraft introduceras i systemet, såvida man inte når gränsen för exportkapaciteten och det inte är möjligt att exportera överskottsproduktion till andra länder. Därför kan man dra slutsatsen att det svenska elsystemet har en god förmåga att balansera stora volymer vindkraft. Modellen bygger dock på vissa förenklingar och antaganden, vilket medför en viss osäkerhet i resultaten. Därför föreslås i slutet av rapporten några framtida studier för att förbättra modellen ytterligare.