Complementing a Kaplan hydropower turbine with a battery energy storage : BESS sizing for shared FCR-N market participation and reduction of turbine control movements
Juslin, Akseli (2021-03-02)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202103026350
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202103026350
Tiivistelmä
Pohjoismaisen sähköjärjestelmän sähkönlaatu on huonontunut viime vuosikymmenten aikana ja samalla normaalin taajuusalueen ulkopuolella vietetty aika on kasvanut. Verkkoon liittyy tulevaisuudessa entistä enemmän uusiutuvaa energiaa hydyntäviä voimalaitoksia, jotka ovat luonteeltaan epäsäännöllisiä.
Tämän työn tarkoituksena on tutkia energiavaraston asentamista Kaplan vesivoimaturbiinin rinnalle. Tämän vuoksi työssä tutkitaan olemassaolevia erilaisia teknologioita energian varastoimiseen. Näistä teknologioista valittiin yksi tähän tarkoitukseen sopiva. Energiavaraston teknologiaksi valittiin Lithium akku.
Käytössä olevan vesivoimalaitoksen Kaplan -turbiineja käytiin testaamassa useampaan otteeseen. Näiden testien tarkoituksena oli muun muassa energiavaraston koon mitoittaminen, turbiinisäätimen parametrien testaus ja hienosäätö.
Akkuihin perustuva energiavarasto voisi vähentää turbiinin ohjaustarvettu sen osallistuessa taajuusohjattuun käyttöreservikauppaan. Uusi ohjain, joka vastaisi kuorman jakamisesta energiavaraston ja turbiinin välillä on kehitteillä VEO:lla. Tässä työssä ehdotetulle ratkaisulle saatiin arvioitua noin 5 vuoden takaisinmaksuaika investoinneille. The frequency quality of the Nordic power system has deteriorated over the last decades. The number of minutes outside the normal frequency band area has increased. Furthermore, an oscillating behaviour of the grid has been observed with a growing amplitude. This oscillating behaviour increases the control work carried out by the hydropower turbines. One of the main reasons for this development is the growing amount of power generation that is coming from intermittent energy sources, such as wind and solar.
The objective of the thesis is to explore the possibility to combine an electrical energy storage to an operational Kaplan turbine hydropower plant. To fulfil the objective, background work on different energy storage technologies was carried out by reviewing different technologies against each other for the sake of finding the most fitting technology for the purpose. A battery energy storage was chosen as the technology for the proposed application.
Measurements were made on operational Kaplan turbines to narrow down the scale of needed energy and power output for the electrical energy storage. Tests were carried out on different turbine governor models to find an optimal control scheme for the turbine.
A BESS could reduce the control movements of a Kaplan turbine operating in frequency control mode. A new controller that would share the primary frequency control regulation between the turbine and BESS is under development at VEO Oy. The payback time for an in-vestment was found to be approximately 5 years.
Tämän työn tarkoituksena on tutkia energiavaraston asentamista Kaplan vesivoimaturbiinin rinnalle. Tämän vuoksi työssä tutkitaan olemassaolevia erilaisia teknologioita energian varastoimiseen. Näistä teknologioista valittiin yksi tähän tarkoitukseen sopiva. Energiavaraston teknologiaksi valittiin Lithium akku.
Käytössä olevan vesivoimalaitoksen Kaplan -turbiineja käytiin testaamassa useampaan otteeseen. Näiden testien tarkoituksena oli muun muassa energiavaraston koon mitoittaminen, turbiinisäätimen parametrien testaus ja hienosäätö.
Akkuihin perustuva energiavarasto voisi vähentää turbiinin ohjaustarvettu sen osallistuessa taajuusohjattuun käyttöreservikauppaan. Uusi ohjain, joka vastaisi kuorman jakamisesta energiavaraston ja turbiinin välillä on kehitteillä VEO:lla. Tässä työssä ehdotetulle ratkaisulle saatiin arvioitua noin 5 vuoden takaisinmaksuaika investoinneille.
The objective of the thesis is to explore the possibility to combine an electrical energy storage to an operational Kaplan turbine hydropower plant. To fulfil the objective, background work on different energy storage technologies was carried out by reviewing different technologies against each other for the sake of finding the most fitting technology for the purpose. A battery energy storage was chosen as the technology for the proposed application.
Measurements were made on operational Kaplan turbines to narrow down the scale of needed energy and power output for the electrical energy storage. Tests were carried out on different turbine governor models to find an optimal control scheme for the turbine.
A BESS could reduce the control movements of a Kaplan turbine operating in frequency control mode. A new controller that would share the primary frequency control regulation between the turbine and BESS is under development at VEO Oy. The payback time for an in-vestment was found to be approximately 5 years.