Potentials and Technical Requirements for the Provision of Ancillary Services in Future Power Systems with Distributed Energy Resources

A decentralized supply of electrical power based on renewable energies paves the way to a sustainable power supply without nuclear energy and without the emission of greenhouse gases. This energy transition (Energiewende) entails challenges regarding the provision of Ancillary Services (AS), associated with intermittent in-feed of Distributed Energy Resources (DER) into the distribution grids. In this paper, the demand, potentials, and technical requirements for AS provision in Germany, especially in the state of Lower Saxony, are discussed. These aspects are considered from multiple perspectives across all voltage levels. Beginning with a steady state analysis that focuses on the transmission grid, an expected increment in voltage violations and line congestions is revealed. Counteracting the resulting technical limit violations requires consideration of distribution grid flexibilities among others. To address this emerging demand, the potentials for the provision of AS by components in the distribution grids are identified. However, technical concepts are also required to exploit the potential, as DER in-feed has significant impact on the functionality of conventional protection systems. The analysis in this paper indicates the need for development of concepts to provide AS in the distribution grid and detailed technical requirements within a holistic simulative approach

Netzoptimierung durch Wirk- und Blindleistungsredispatch auf Basis von konvexifizierten quadratischen Näherungen der Netzgleichungen

Die Energiewende, der Kernenergieausstieg, eine zunehmende Elektrifizierung energetischer Anwendungen, ein zunehmender internationaler Stromhandel, ein unzureichender Netzausbau und ein zunehmender regulatorischer Effizienzdruck bewirken einen Betrieb des elektrischen Energieversorgungsnetzes an seinen Betriebsgrenzen beziehungsweise erfordern in zunehmenden Umfang Maßnahmen, um diese einzuhalten. Da die Betriebsgrenzen und Maßnahmen miteinander in Wechselwirkung stehen, ergibt sich ein herausforderndes Optimierungsproblem. Diese Arbeit enthält Weiterentwicklungen der Modellierung und Lösung eines Optimierungsproblems, welches die Minimierung der Kosten für Netzverluste und die Minimierung der Kosten für Redispatch kombiniert. Im Rahmen der Optimierung wird die Einhaltung der Stromtragfähigkeiten und Spannungsbänder sichergestellt beziehungsweise wiederhergestellt. Zur Lösung des nichtlinearen Optimierungsproblems werden die eingehenden Netzgleichungen quadratisch angenähert, da eine global-optimale Lösung des allgemeinen nichtlinearen und nichtkonvexen Optimierungsproblems in akzeptabler Zeit nicht erwartet werden kann. Des Weiteren ist eine Umkehrfunktion der Leistungsgleichung erforderlich, die mit Hilfe des Verteilten Slacks ermittelt wird, ohne dass das Spannungsniveau im Netz determiniert wird. Um das in jedem Schritt einer sequentiellen Optimierung entstehende quadratische nichtkonvexe Optimierungsproblem mit Standardsoftware lösen zu können, muss dieses konvexifiziert werden. Hierzu werden die nichtkonvexen Funktionsbestandteile durch Hauptachsentransformation identifiziert und durch stückweise Linearisierungen konvexifiziert, was das kontinuierliche Optimierungsproblem gemischt-ganzzahlig werden lässt. Durch Voroptimierungen und Startwertermittlungen kann jedoch eine Lösung in angemessener Zeit erreicht werden. Die Modellierung zeigt im Rahmen der Fallstudien im Hinblick auf Prognosefehler, dass die quadratischen und die konvexifizierten quadratischen Näherungen sehr geringe Prognosefehler haben. Lineare Näherungen hingegen zeigen im Vergleich deutlich größere Prognosefehler. Im Hinblick auf das Konvergenzverhalten der sequentiellen Optimierung zeigt sich, dass mit linearen Nebenbedingungen Schwingungen um ein Optimum und langsame Konvergenz zu einem Optimum hin deutlich stärker ausgeprägt sind. Weitere Auswertungen zeigen zudem im Hinblick auf das Ergebnis der Optimierung, dass mit linearen Nebenbedingungen unter Umständen nur ein lokales Optimum gefunden wird. Im Hinblick auf die Kombinierung der Netzverlustoptimierung durch Blindleistungsänderung mit der Optimierung der Engpassbeseitigung durch Wirkleistungsänderung zeigen sich deutliche Effizienzvorteile

Research Projekt SiNED Insights - Ancillary services for Reliable Power Grids in times of the Progressive German Energiewende and Digital Transformation

Ancillary services in future power systems have to be provided by decentralized distributed energy resources, resulting in various, interdisciplinary issues. Focusing on the three competence areas (Electrical Power Engineering, Digital Transformation/Information and Communication Technology, and Energy Law and Economics), insights for the central research goals of the project are presented (after three of five years of project duration). While results indicate, that the future ancillary services demand of a climate-neutral power system can be supplied with further developments, open questions and issues still remain. The interdisciplinary studies of the SiNED consortium show that it will be possible to provide ancillary services also from the lower voltage levels, both technically and economically. These results and the necessary regulatory frameworks are discussed in this paper

SiNED-Ancillary Services for Reliable Power Grids in Times of Progressive German Energiewende and Digital Transformation

Within SiNED research project, several members of the Energy Research Centre of Lower Saxony (Energieforschungszentrum Niedersachsen, EFZN) are working on various issues relating to the future provision of ancillary services and to future congestion management. The questions include energy technology, economic and energy law aspects as well as information and communications technology (ICT) and data. The investigations are based on Lower Saxony and the framework conditions there. The temporal focus of the investigations is the year 2030