Generation scheduling in isolated power systems with high penetration of variable renewable generation and pumped-storage

Fernández Muñoz, Daniel (2021). Generation scheduling in isolated power systems with high penetration of variable renewable generation and pumped-storage. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.67647.

Description

Title: Generation scheduling in isolated power systems with high penetration of variable renewable generation and pumped-storage
Author/s:
  • Fernández Muñoz, Daniel
Contributor/s:
  • Pérez Díaz, Juan Ignacio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: June 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ingeniería Civil: Hidráulica, Energía y Medio Ambiente
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

The declared worldwide target values of variable renewable generation in power systems have been steadily increasing year after year and this trend is expected to continue in the near future. These target values will definitely bring invaluable benefits to both the society and the environment, but also operational challenges to the electric power system. Some of these challenges are already being experienced in some power systems, but some others are even difficult to foresee and will show up in the future as the variable renewable generation continues increasing. Energy storage resources have been devised to help the power system to accommodate higher values of variable renewable energy, especially in power systems with little inertia like the islands. This thesis deals with the operation of isolated power systems with high penetration of variable renewable generation and pumped-storage. Once the most relevant articles from the scientific and technical literature have been reviewed, the main research gaps and challenges that have been detected and suggested to be carried out in this thesis, can be summarised as follows: 1. The hierarchical coordination between the long- or medium- and short-term optimisation models to manage the energy storage in the upper reservoir of a pumped-storage hydropower plant has to be further analysed. There is a gap in the literature concerning the realistic estimation of the storage opportunity cost, i.e. water value, in isolated power systems with high penetration of both variable renewable generation and pumped-storage. 2. The contribution of flexible pumped-storage hydropower plant configurations to reduce the system’s scheduling cost and renewable energy curtailment in isolated power systems with high penetration of variable renewable generation, needs to be rigorously analysed with realistic generation scheduling models and procedures. 3. There is a research gap and a challenge in the provision of a realistic short-term generation scheduling model of an isolated power system with high penetration of variable renewable generation and pumped-storage, that simultaneously calculates the next-day scheduling cost and the storage opportunity cost while considering the intra-hourly variable renewable generation variability, with an acceptable computational time for the day to day work of the power system operator. 4. There is a lack of a comprehensive review of the regulatory changes regarding frequency control ancillary services, which have been recently implemented in some power systems worldwide or are currently under development, that aim to fairly compensate the superior capability of some energy storage systems to provide such ancillary services. This thesis presents a two-stage stochastic linear programming optimisation model to calculate the water value with a low computational time that can be used every day by the power system’s operator so as to update the storage opportunity cost in the system. This thesis provides a novel two-stage stochastic unit commitment model based on mixed-integer linear programming that simultaneously calculates the next-day generation schedule and the storage opportunity cost while considering the intra-hourly variability of the variable renewable generation. The model uses an approach based on the Benders decomposition technique in order to increase its computational efficiency making it useful for the daily work of a power system operator. The results obtained with the optimisation models proposed in this thesis point to the use of optimisation models that do not assume the usual simplifications made by the traditional unit commitment models that lead to hidden inflexibilities, e.g. unfeasible generation schedules, when real-time dispatch is applied. This thesis analyses the contribution of flexible pumped-storage hydropower plant configurations in an isolated power system with high penetration of wind generation to reduce the scheduling cost and to reduce the wind energy curtailment, among others, by means of a realistic generation scheduling procedure which considers variable start-up costs and power trajectories of the thermal generating units as a function of the time that the unit has remained off-line since the previous shut-down and the water value. The results obtained have shown that flexible configurations of pumped-storage hydropower plants can positively contribute to increase the flexibility of isolated power systems, allowing them to reach higher levels of variable renewable energy and reducing the power system scheduling cost. However, this contribution might not be enough to afford the investment required to build a pumped-storage hydropower plant with the current energy markets remuneration mechanisms. This thesis provides a review of the frequency control ancillary services that value the response speed of the frequency control provider, that are currently in force or in a development phase in power systems worldwide, since the frequency control ancillary services have been pointed as an important source of income for energy storage resources. The results obtained suggest that, with a proper design of both the frequency control ancillary services technical requirements and payments, fast-acting energy storage resources can help improve the quality of the power system’s frequency to a greater extent than conventional generation resources and decrease the total amount of frequency control reserve. ----------RESUMEN---------- El aumento sostenido de la penetración de generación renovable intermitente en los sistemas eléctricos de potencia a nivel mundial que se ha producido en los últimos años y que se espera que continúe en los próximos, conllevará sin duda beneficios inestimables tanto para la sociedad como para el medio ambiente, pero también plantea desafíos en la operación de dichos sistemas. Algunos de estos desafíos ya se están experimentando pero otros son incluso difíciles de prever e irán apareciendo a medida que dicha penetración de generación renovable intermitente aumente. Los sistemas de almacenamiento de energía son considerados elementos clave para ayudar a los sistemas eléctricos de potencia a alcanzar mayores niveles de penetración de generación renovable intermitente, siendo especialmente importantes en el caso de sistemas eléctricos de potencia con poca inercia como son los insulares. Esta tesis aborda la operación de sistemas eléctricos de potencia aislados con alta penetración de generación renovable intermitente y una central de turbinación-bombeo reversible. Una vez realizada la revisión de la literatura técnica y científica, los principales retos que han sido detectados y que se han incluido en los objetivos de esta tesis, se presentan a continuación: 1. La coordinación entre el largo/medio y corto plazo para gestionar el almacenamiento de energía en el embalse superior de la central reversible debe de ser analizado con un mayor grado de detalle. No se ha encontrado en la literatura científica una estimación realista del coste de oportunidad del almacenamiento, conocido como valor del agua, en sistemas eléctricos aislados con una alta penetración generación renovable intermitente y con una alta capacidad de bombeo de la central reversible. 2. No existen trabajos previos que hayan analizado la contribución de configuraciones flexibles de centrales reversibles en sistemas eléctricos de potencia aislados con alta penetración de generación renovable intermitente, mediante el uso de procedimientos y modelos de programación de la generación realistas. 3. No se ha encontrado ningún modelo de programación de la generación a corto plazo que calcule de manera simultánea el programa de generación del día siguiente y el coste de oportunidad del almacenamiento considerando además la variabilidad dentro de la hora de la demanda neta, con un tiempo de cálculo adecuado como para ser utilizado diariamente por un operador del sistema eléctrico. 4. No se ha encontrado una revisión completa de los cambios normativos relativos a la provisión de servicios de control de la frecuencia que se han producido recientemente en algunos sistemas eléctricos o, que están en fase de desarrollo, que tienen por objeto el compensar de manera más justa la mayor capacidad de respuesta de algunos sistemas de almacenamiento de energía que participan de la provisión de dichos servicios. Esta tesis propone un modelo de optimización estocástica basado en programación lineal de largo/medio plazo que permite calcular el valor del agua de un sistema eléctrico aislado con un tiempo de cálculo reducido lo que le permite ser utilizado como dato de entrada en modelos de programación de la generación a corto plazo. Esta tesis propone un innovador modelo de optimización estocástica basado en programación lineal entera-mixta, que calcula de manera simultánea el programa de generación del día siguiente y el coste de oportunidad del almacenamiento, considerando además la variabilidad dentro de la hora de la demanda neta. Para reducir el tiempo de cálculo del modelo y hacerlo práctico para su uso por parte de un operador del sistema eléctrico, el modelo se resuelve mediante una enfoque basado en la técnica de descomposición de Benders. Los resultados obtenidos con los modelos de optimización que se han desarrollado a lo largo de esta tesis, ponen de manifiesto la importancia de evitar las habituales simplificaciones que los modelos tradicionales utilizados para la programación de la generación realizan, lo que puede conllevar a obtener programas de la generación que resulten no factibles o presentar un mayor vertido de energía renovable intermitente, cuando se realiza el despacho del programa de generación a tiempo real. Esta tesis analiza la contribución de configuraciones flexibles de centrales reversibles en sistemas aislados con alta penetración de generación renovable intermitente, para reducir los costes de programación de la generación y los vertidos de energía renovable intermitente, entre otros, por medio de procedimientos y modelos de programación de la generación realistas que consideren por ejemplo, que el coste de arranque de un grupo térmico depende del tiempo que el grupo lleva en estado de parada y el coste de oportunidad del almacenamiento. Los resultados obtenidos demuestran que las centrales reversibles pueden contribuir positivamente a incrementar la flexibilidad de los sistemas eléctricos de potencia aislados, permitiéndoles alcanzar una mayor penetración de generación renovable intermitente y reduciendo el coste de la programación de la generación. Sin embargo, dicha contribución puede no ser suficiente como para hacer rentable la inversión necesaria para construir la central reversible con los actuales mecanismos de remuneración de los mercados de energía y reservas. Esta tesis presenta una revisión exhaustiva de los servicios de control de la frecuencia de sistemas eléctricos de potencia a nivel mundial, que valoran la velocidad de respuesta del proveedor del servicio y de cómo es o de cómo está prevista, la remuneración de dicho servicio. De la revisión se infiere que con un diseño adecuado tanto de los requisitos técnicos como de los mecanismos de remuneración de los servicios de control de la frecuencia, los sistemas de almacenamiento de energía de respuesta rápida pueden contribuir a mejorar la calidad de la frecuencia del sistema eléctrico en mayor medida que la generación convencional y a disminuir la cantidad total de reserva necesaria para el control de la frecuencia.

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Government of SpainENE2016-77951-RUnspecifiedUnspecifiedValue of pumped-hydro energy storage in isolated power systems with high wind power penetration

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Item ID: 67647
DC Identifier: https://oa.upm.es/67647/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:67647
DOI: 10.20868/UPM.thesis.67647
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 01 Sep 2021 07:47
Last Modified: 01 Sep 2021 07:47
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