Enhancement of flexibility of conventional Hydro Power Plants for faster ramp-rate using Energy Storage Systems

Abstract

Avec la croissance de la production d'électricité et les préoccupations croissantes concernant la dégradation du climat, la demande de sources d'énergie renouvelables (SER) augmente simultanément. La dépendance des SER telles que l'énergie solaire photovoltaïque et l'énergie éolienne vis-à-vis de la nature rend la production de ces sources très intermittente. En outre, ces sources d'énergie électrique font appel à des moyens de production non synchrones. Cependant, à mesure que de plus en plus de SER sont ajoutées au réseau, l'inertie globale du réseau diminue progressivement. La perte d'inertie du réseau menace la stabilité et la sécurité des réseaux électriques. Afin d'atténuer ces effets, les services auxiliaires se développent dans le monde entier auprès de différentes entreprises de production, de transport et de distribution d'électricité. Ces services de réseau sont classés en services de fréquence et de tension. Les services de fréquence sont contrôlés par la régulation de la puissance active et les services de tension sont contrôlés par la puissance réactive. Diverses recherches sont menées dans le monde entier pour proposer différents moyens d'atténuer les effets de l'augmentation des SER. L'un de ces moyens consiste à augmenter la flexibilité du système électrique. Pour ce faire, les sources d'énergie conventionnelles peuvent jouer un rôle très important. Cependant, en raison de contraintes physiques, toutes les centrales conventionnelles ne sont pas en mesure de répondre à l'évolution rapide de la demande du réseau. Dans ce cas, la centrale hydroélectrique (HPP) peut constituer la solution la plus intéressante car elle est à la fois renouvelable et capable de suivre la demande de la charge. De plus, comme les centrales hydroélectriques fournissent de l'énergie à l'humanité depuis très longtemps, plusieurs travaux de recherche et développement ont été menés pour rendre leurs fonctionnalités et leurs opérations de plus en plus efficaces. Avec le besoin croissant de flexibilité et les préoccupations climatiques, il devient impératif d'améliorer les capacités des sources de génération qui sont moins polluantes et en même temps peuvent fournir les services désirés. Dans cette optique, ce travail se concentre sur l'amélioration de la flexibilité des centrales hydroélectriques conventionnelles en augmentant leur temps de réponse par des taux de rampe améliorés en utilisant un système de stockage d'énergie (ESS). Pour atteindre cet objectif, des modèles mathématiques sont développés à la fois pour l'ESS et la centrale hydroélectrique. Les objectifs d'amélioration du taux de rampe sont décrits en détail. Avec ces objectifs, deux approches d'optimisation différentes sont acquises où dans l'une, seule l'opération ESS est optimisée pour atteindre les objectifs et dans la seconde, les opérations ESS et HPP sont optimisées. Plusieurs scénarios ont été identifiés pour lesquels les tests doivent être effectués. De plus, pour analyser l'impact du dimensionnement de l'ESS, différentes tailles ont été utilisées pour chaque test. Une étude comparative est menée pour les deux méthodes et les déductions sont tirées en détail dans ce travail. Une fois le processus de simulation et l'interprétation des résultats terminés, les résultats sont utilisés pour réaliser une expérience avec un Power-Hardware-In-Loop (PHIL) où un superviseur et un contrôleur sont conçus pour contrôler le circuit hydraulique physique avec les paramètres du processus de simulation. Une fois les expériences terminées, les données de simulation et expérimentales sont comparées et des conclusions sont tirées indiquant la possibilité d'augmenter le taux de rampe de la centrale hydroélectrique à l'aide d'un ESS.With growth in electric power generation and growing concerns about climate degradation, more demand of renewable energy sources (RES) is simultaneously increasing. The dependence of RES such as solar photovoltaic and wind power on nature makes the production of these sources highly intermittent. In addition, these electrical energy sources do non-synchronous means of generation. However, as more and more RES are added to the grid, the overall grid inertia gradually decreases. The loss of grid inertia threatens the stability and security of electrical grids. In order to mitigate these effects, ancillary services are expanding worldwide with different power generation, transmission and distribution companies. These grid services are classified into frequency and voltage services. Frequency services are controlled by active power control and voltage services are controlled by reactive power. Various researches are being conducted worldwide to propose different ways to mitigate these effects of increasing RESs. One such means is to increase the flexibility of power system. To increase flexibility, conventional power sources can play a very important role, however, due to physical constraints, not all conventional power plants are able to meet fast changing demands of the grid. In this case, hydro power plant (HPP) may provide the most interesting solution as it is both renewable and able to follow the load demand. Moreover, as hydroelectric power plants have been providing energy to mankind for a very long time, several research and development works have been conducted to make their functionalities and operations more and more efficient. With the increasing need for flexibility and climate concerns, it becomes imperative to improve the capabilities of generation sources that are less polluting and at the same time can provide the desired services. With this in mind, this work focuses on improving the flexibility of conventional hydroelectric power plants by increasing their response time through improved ramp rates using an energy storage system (ESS). To achieve this objective, mathematical models are developed for both ESS and HPP. The objectives for ramp rate improvement are described in detail. With these objectives, two different optimization approaches are acquired where in one, only the SSE operation is optimized to achieve the objectives and in the second, both the SSE and HPP operations are optimized. Several scenarios have been identified for which the tests need to be performed. In addition, to analyze the impact of SSE sizing, different sizes were used for each test. A comparative study is conducted for both methods and inferences are drawn in detail in this work. Once the simulation process and interpretation of the results are completed, the results are used to perform an experiment with a Power-Hardware-In-Loop (PHIL) where a supervisor and controller are designed to control the physical hydraulic circuit with the parameters of the simulation process. Once the experiments are completed, the simulation and experimental data are compared and conclusions are drawn indicating the possibility of increasing the ramp rate of the hydro plant using an ESS