Control of Energy Storage

Energy storage can provide numerous beneficial services and cost savings within the electricity grid, especially when facing future challenges like renewable and electric vehicle (EV) integration. Public bodies, private companies and individuals are deploying storage facilities for several purposes, including arbitrage, grid support, renewable generation, and demand-side management. Storage deployment can therefore yield benefits like reduced frequency fluctuation, better asset utilisation and more predictable power profiles. Such uses of energy storage can reduce the cost of energy, reduce the strain on the grid, reduce the environmental impact of energy use, and prepare the network for future challenges. This Special Issue of Energies explore the latest developments in the control of energy storage in support of the wider energy network, and focus on the control of storage rather than the storage technology itself

A Techno-Economic Analysis of Wind Generation in Conjunction With Compressed Air Energy In The Integrated Single Electricity Market.

The Integrated Single Electricity Market (I-SEM) is the proposed wholesale electricity market for Ireland and it is intended to replace the current Single Electricity Market (SEM) by 2018. Subsequently, substantial modifications will be required to the SEM and this has led to significant uncertainty for stakeholders. The SEM currently features no forecast risk for renewables such as wind and there is no concept of balance responsibility. Under the I-SEM, wind generation will be exposed to forecast risk and the requirement to be balance responsible. The use of Compressed Air Energy Storage (CAES) could represent a better system configuration which would reduce the reliance on expensive generation for system balancing and reduce the financial risk to wind generation. Thus, the aim of this research was to estimate the economic performance of wind generation with and without CAES from a private investor’s perspective in the I-SEM. More specifically, the Balancing Mechanism (BM) System Marginal Prices (SMPs), total generation costs and CO2 emissions were estimated from a systems perspective under the I-SEM. The approach was to quantify the SMPs, total generation costs and CO2 emissions for each scenario using a validated unit commitment and economic dispatch PLEXOS model of the Irish and British electricity markets under the I-SEM structure. The private Net Present Value of wind generation was then evaluated using the collected financial and technical project data and the electricity price and generation outputs from the I-SEM model for each scenario. The economic viability of CAES from a systems perspective was then assessed using techno-economic data for the CAES plant and outputs from the I-SEM model. Results revealed that the SMPs increase between the day-ahead and BM markets for the both scenarios. Moreover, the SMPs are most sensitive to the fuel and carbon prices, while the remaining input parameters have a more modest impact. A comparison of the total generation costs revealed that the inclusion of the CAES plant in the I-SEM led to savings of €8 million over the year 2020. The CO2 emissions were estimated for each scenario and a modest emissions increase of 1% (0.1 MtCO2) between the BAU and BAU+CAES scenarios occurred due to the addition of the CAES plant. The NPV of wind generation was estimated as €1.91bn and €2.01bn for the BAU and BAU+CAES scenarios, respectively. The CAES plant receives a positive net revenue of €21.6 million over the year and is considered economically viable given that it recovers it costs from the revenue of selling energy to the I-SEM

Short-term Effects of Energy Arbitrage with ESS on Market Participants Welfare and Investment Strategies

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 공과대학 전기·컴퓨터공학부, 2017. 8. 윤용태.전통적으로 전력계통은 시시각각 변화하는 수요를 공급이 맞추는 형태로 운영되어 왔으며 이를 위해 피크수요보다 높은 수준의 공급설비를 갖추어야 했다. 하지만 최근 연구들은 수요 측의 적절한 변화가 공급 측의 변화보다 더욱 경제적일 수 있음을 증명하였고, 수요의 평탄화는 단기적으로 운영비용의 절감의 효과가, 장기적으론 설비 증설의 지연 및 회피의 효과가 있는 것으로 알려져 왔다. 이와 같은 긍정적인 효과에도 불구하고 아직 수요 측의 변화는 활발히 이뤄지지 못하고 있는 실정인데 이는 수요 변화의 유인이 소비자의 효용변화보다 혹은 저장비용보다 크지 않았기 때문이다. 그에 반해, 최근 에너지 저장장치의 가격은 점차 낮아지고 있고, 또한 신재생 에너지원과 같은 간헐적 전원의 증가로 전력가격의 변동성이 증가함에 따라 에너지 저장장치를 이용한 수요의 변화가 주목받고 있다. 그럼에도 불구하고 아직까지 에너지 저장장치를 이용한 에너지 차익거래의 운영과 투자에 관한 연구들은 충분히 이뤄지지 않고 있으며, 특히 에너지 차익거래로 인한 전력시장의 가격변화가 에너지 차익거래의 가치와 시장참여자의 후생에 미치는 영향 분석 및 이에 따른 시장참여자별 저장장치 투자전략에 대한 연구가 부족하였다. 본 연구에서는 현재 저장장치 소유자가 수요변화를 위해 어떤 유인을 받고 있는지를 확인하고, 그 유인에 대한 에너지 저장장치의 운영전략이 경제성을 확보하였는지 평가하였다. 또한 무위험거래와 저장비용을 고려한 에너지 차익거래의 두 기간 모델을 이용한 단기분석을 통해 다양한 시장 환경에서 시장참여자들의 최적 저장장치 투자전략을 도출하였다. 사회후생을 최대로 하는 저장장치 투자량과 비교하여 소비자는 더 많은 양을, 생산자와 상업저장장치소유자는 더 적은 양의 저장장치를 투자하려는 경향이 있음을 확인하였다. 뿐만 아니라 자유로운 투자가 가능한 환경에서는 오직 소비자만이 저장장치에 투자하는 것을 다중 에이전트 비협조게임의 내쉬균형 도출을 통해 확인하였다. 이로 인해 독과점의 판매사업자가 도매시장의 수요 측에서 에너지 저장장치를 이용하여 불합리한 시장지배력을 발휘할 가능성이 있는데, 이를 완화시키는 방안으로 판매부문의 경쟁 도입 및 무위험거래 비율 증가가 효과가 있음을 확인하였다.In contrast to traditional philosophy that electricity demands should be fully supplied only by controlling generation units, many previous studies show that appropriate changes of demand are more efficient. System load flattening provides system-wide benefits, which reduce operational costs in the short-term, and defer the construction of additional supply units in the long-term. Nonetheless, power demand is generally inelastic in terms of price and thus not effectively responsive to price incentives. In contrast, by owning energy storage systems (ESSs), every energy storage owner (ESO) is able to be price-elastic and demand can be changed without reduction of the customers utility because the amount of power actually consumed by customers does not change. Furthermore, as the costs of ESS have decreased and the price volatility of the electricity market has increased, many studies have been conducted on energy arbitrage using ESSs. However, there is a lack of research on welfare analysis by market participants, especially in relation to ESS investment strategy. In this study, the existing two-period model which can analyze effects of energy arbitrage with ESS is modified in consideration of the ESS cost and risk-free contracts. We analyze the impacts of ESS for energy arbitrage on the changes in the welfare of market participants and determined the optimal amount of ESS investment for three types of ESS investors in different market structures. When the prices of electricity begin to change by energy arbitrage using ESS, the value of energy arbitrage is reduced, and the welfare of market participants changes due to the external effects of energy arbitrage. Thus, each market participant is incentivized differently to invest in ESS. The optimal amounts of ESS investment are determined by the ratio of risk-free contracts to total demand and the costs of storing. When more than two players exist in the same sector, the players non-cooperatively compete. Compared with the case that maximizes social welfare, the case when the players in only one sector are allowed to invest in ESS, the customers tend to over-invest in ESS, whereas the MSOs and producers under-invest in ESS. In addition, when every player can invest in ESS at the same time in the competitive wholesale market structure (which is simulated reflecting Korean circumstances), only the customers are willing to invest in ESS. This study confirms that significant welfare is transferred from the producers to the customers, and customers are able to to exercise market power by operating ESS. We conclude that an increase in the number of customers and/or risk-free contracts encourages other market participants to invest in ESS, which reduce customers market power.목 차 초록 i 목차 iv 그림목차 viii 표목차 xi 제 1 장 서론 1 1.1 연구배경 및 목적 1 1.2 논문의 개요 및 구성 8 제 2 장 수요변화와 사회후생 10 2.1 에너지 저장장치와 수요변화 10 2.1.1 전력계통에서의 수요변화 10 2.1.2 수요변화의 효과 11 2.1.3 수요변화의 유인 12 2.1.4 ESS를 이용한 수요변화 17 2.1.5 에너지 차익거래 18 2.2 사회후생 21 2.2.1 후생경제학 21 2.2.2 시장참여자의 생산과 소비전략 22 2.2.3 소비자 잉여, 생산자 잉여 그리고 사회후생 23 2.2.4 연구 내 사회후생 25 제 3 장 전력가격/전기요금 하에서 ESS 운영의 경제성 평가 27 3.1 모델 구성 및 정식화 28 3.1.1 TOU 하에서 ESO의 ESS 운영전략 모델 28 3.1.2 SMP 하에서 ESO의 ESS 운영전략 모델 35 3.1.3 ESS 열화비용 36 3.2 사례연구 38 3.2.1 TOU 하에서 ESS 운영의 경제성 평가 38 3.2.2 SMP 하에서 ESS 운영의 경제성 평가 54 3.3 국내 에너지 차익거래의 가치평가 56 3.4 소결론 64 제 4 장 에너지 차익거래용 ESS의 투자유인 및 최적 투자전략 67 4.1 두 기간 모델과 시장참여자의 후생 분석 68 4.1.1 시장참여자 정의 69 4.1.2 두 기간 모델 과 시장참여자의 후생변화 78 4.1.3 ESO가 가격수용자일 때의 이론적 고찰 93 4.2 다양한 시장구조 하에서 시장참여자별 ESS 투자전략 103 4.2.1 시장 환경 설정 및 가정 103 4.2.2 시장참여자별 후생 변화 106 4.2.3 시장구조의 설명 및 연구의 의의 109 4.2.4 구조 1: 수직통합구조 111 4.2.5 구조 2: 발전, 판매부문이 분리된 구조에서의 각 부문별 시장참여자의 투자전략 (단일에이전트의 n-참여자 비협조게임) 113 4.2.6 구조 3: 발전, 판매부문이 분리된 구조에서의 시장참여자별 투자전략 (다중에이전트의 n-참여자 비협조게임) 122 4.3 사례연구 132 4.3.1 사례연구 데이터 132 4.3.2 구조 1: 수직통합구조 133 4.3.3 구조 2: 발전, 판매부문이 분리된 구조에서의 각 부문별 시장참여자의 투자전략 (단일에이전트의 n-참여자 비협조게임) 138 4.3.4 구조 3: 발전, 판매부문이 분리된 구조에서의 시장참여자별 투자전략 (다중에이전트의 n-참여자 비협조게임) 150 4.4 소결론 155 제 5 장 결론 158 참고문헌 162 부록 172 부록 1. 내쉬균형과 최적반응함수 171 부록 2. n-참여자 비협조게임의 내쉬균형 도출과정 174 부록 3. 구조 3에서 시장참여자 수에 따른 각 시장참여자별 최적 ESS 투자량 도출 185 Abstract 188Docto

Advanced Modeling, Control, and Optimization Methods in Power Hybrid Systems - 2021

The climate changes that are becoming visible today are a challenge for the global research community. In this context, renewable energy sources, fuel cell systems and other energy generating sources must be optimally combined and connected to the grid system using advanced energy transaction methods. As this reprint presents the latest solutions in the implementation of fuel cell and renewable energy in mobile and stationary applications such as hybrid and microgrid power systems based on the Energy Internet, blockchain technology and smart contracts, we hope that they will be of interest to readers working in the related fields mentioned above

Photovoltaic generation with energy storage integrated into the electric grid: modelling, simulation and experimentation

Esta tese apresenta o trabalho e resultados da investigação desenvolvida sobre conversão fotovoltaica com armazenamento de energia integrado em rede elétrica. Começa por apresentar a modelação, simulação e validação da conversão fotovoltaica e inversores com injeção para a rede. Descreve também seguidamente o processo de conceção, construção, comissionamento e desenvolvimento experimental das infraestruturas hoje existentes na Cátedra Energias Renováveis da Universidade de Évora, no que diz respeito às duas microgrids desenvolvidas no âmbito do projeto europeu PVCROPS. Estas microgrids são compostas, de forma geral, por um elemento de produção fotovoltaica, um elemento de armazenamento de energia, uma ligação à rede e um sistema de controlo e datalogging. Relativamente ao armazenamento de energia, esta tese aborda e caracteriza ainda as duas tecnologias instaladas: a bateria de iões de lítio e a bateria de fluxo redox de vanádio. Estas microgrids servem assim para implementação e validação de uma estratégia de gestão de energia tendo como objetivo a maximização do autoconsumo, cujos conteúdos são apresentados no capítulo 4. Depois das conclusões, no último capítulo, apontam-se ainda as linhas de investigação futuras de maior potencial, na sequência do trabalho desenvolvido e apresentado nesta tese; Photovoltaic generation with energy storage integrated into the electric grid: Modelling, simulation and experimentation Abstract: This thesis presents the work and results of the research developed on photovoltaic conversion with energy storage integrated into the electric grid. It begins by presenting the modeling, simulation and validation of the photovoltaic conversion and inverters with injection into the electric grid. It also describes the process of design, construction, commissioning and experimental development of the existing infrastructures in the Renewable Energies Chair of the University of Évora, with respect to the two microgrids developed under the European project PVCROPS. These microgrids are generally composed by a photovoltaic production element, an energy storage element, a grid connection and a control and datalogging system. Regarding energy storage, this thesis also discusses and characterizes the two installed technologies: the lithium-ion battery and the redox-flow vanadium battery. These microgrids thus serve to implement and validate an energy management strategy with the objective of maximizing self-consumption, the contents of which are presented in Chapter 4. Following the conclusions, in the last chapter are pointed the future research lines of greater potential, following the work developed and presented in this thesis