Integration of Decentralized Battery Energy Storage Systems into the German Electrical Power System

Integration dezentraler Batteriespeichersysteme in das deutsche elektrische Energieversorgungssystem

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-101891
  • The increasing generation capacity of wind and solar poses new challenges to the electrical power system due to their fluctuating injection and the displacement of fossil fired generation units. In order to use the simultaneously increasing capacity of PV-storages in Germany, they could be used for additional applications such as the provision of ancillary services. This can be realized by pooling them to a Virtual Battery Energy Storage (VBES) and motivated the research activities presented within this thesis. It investigates the efficient pooling of decentralized batteries (PV-storages) to a VBES providing Frequency Containment Reserve (FCR) power. Therefore, a hybrid simulationThe increasing generation capacity of wind and solar poses new challenges to the electrical power system due to their fluctuating injection and the displacement of fossil fired generation units. In order to use the simultaneously increasing capacity of PV-storages in Germany, they could be used for additional applications such as the provision of ancillary services. This can be realized by pooling them to a Virtual Battery Energy Storage (VBES) and motivated the research activities presented within this thesis. It investigates the efficient pooling of decentralized batteries (PV-storages) to a VBES providing Frequency Containment Reserve (FCR) power. Therefore, a hybrid simulation model of a VBES was implemented. It contains a central controller of the VBES for coordinating the provision of FCR power and a model of each residential household including a local controller for modeling the physical provision of FCR power and the self-consumption of PV-converted power. In addition to the findings from answering the posed research questions, an extensive, approved, and validated simulation model of a VBES results from this work. One focus of this thesis is the investigation different allocation methods for dispatching the total contracted FCR power to the single PV-storages to ensure an efficient and reliable provision of FCR power. Applying a smart central VBES control strategy allows to operate the VBES more efficiently and reliably compared to other investigated strategies. The overall losses can be decreased by more than ten percentage points. Concerning a single household, a PV-storage integrated in the considered VBES increases the self-consumption of PV-converted power significantly and can be a profitable investment. As the findings presented within this thesis approves that it is possible to run the considered VBES efficiently, a small case study was carried out to analyze its integration into the daily unit commitment in Germany. Replacing the existing pumped hydroelectric energy storage units by VBESs increases the efficiency of the electrical power supply. In conclusion, it is possible to run a VBES composed of many decentralized PV-storages at a constant high efficiency by means of a smart central control strategy guaranteeing benefits for the households in parallel.show moreshow less
  • Die zunehmende installierte Leistung von Wind und Sonne stellt das elektrische Energieversorgungssystem aufgrund der fluktuierenden Einspeisung und der Verdrängung konventioneller Kraftwerke vor neue Herausforderungen. Um die ebenfalls zunehmende Kapazität von PV-Speichersystemen zu nutzen, könnten diese auch für weitere Anwendungen (z.B. Systemdienstleistungen) eingesetzt werden, indem sie zu einem Virtuellen Batterie-Energiespeicher (VBES) gepoolt werden. Dies motivierte die in dieser Arbeit vorgestellten Forschungsaktivitäten, den Zusammenschluss von PV-Speichersystemen zu einem VBES zu untersuchen und sie somit sowohl zur Erhöhung des Eigenverbrauchs der von der PV-AnlageDie zunehmende installierte Leistung von Wind und Sonne stellt das elektrische Energieversorgungssystem aufgrund der fluktuierenden Einspeisung und der Verdrängung konventioneller Kraftwerke vor neue Herausforderungen. Um die ebenfalls zunehmende Kapazität von PV-Speichersystemen zu nutzen, könnten diese auch für weitere Anwendungen (z.B. Systemdienstleistungen) eingesetzt werden, indem sie zu einem Virtuellen Batterie-Energiespeicher (VBES) gepoolt werden. Dies motivierte die in dieser Arbeit vorgestellten Forschungsaktivitäten, den Zusammenschluss von PV-Speichersystemen zu einem VBES zu untersuchen und sie somit sowohl zur Erhöhung des Eigenverbrauchs der von der PV-Anlage bereitgestellten Energie als auch zur Erbringung von Primärregelleistung (PRL) zu nutzen. Dazu wurde ein hybrides Simulationsmodell eines VBES implementiert. Es enthält dessen zentrale Steuerung zur Verteilung der gesamten kontrahierten PRL auf die einzelnen PV-Speicher und ein Modell eines jeden Wohnhauses inklusive einer lokalen Steuerung zur physikalischen Bereitstellung von PRL und zur Erhöhung des Eigenverbrauchs der von der PV-Anlage bereitgestellten Energie. Neben den Erkenntnissen aus der Beantwortung der aufgestellten Forschungsfragen resultiert somit ein umfassendes und validiertes Simulationsmodell eines VBES. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung der Verteilung der gesamten kontrahierten PRL auf die einzelnen PV-Speicher, um PRL effizient und zuverlässig mit einem VBES bereitzustellen. Die Anwendung einer intelligenten zentralen VBES-Steuerungsstrategie ermöglicht einen effizienten und zuverlässigen Betrieb des VBES. Die Verluste können im Vergleich zu anderen untersuchten Strategien um mehr als zehn Prozentpunkte verringert werden. Dies motivierte eine kurze Fallstudie, welche die Integration eines VBES anstelle von Pumpspeicherkraftwerken in die Kraftwerkseinsatzplanung untersucht. Aufgrund des höheren Wirkungsgrads verbessert sich dadurch die Effizienz der gesamten Energieproduktion. Zusammenfassend zeigen die Untersuchungen, dass es möglich ist, einen VBES aus vielen dezentralen PV-Speichern mit hoher Effizienz und Zuverlässigkeit zu betreiben und den Haushalten zusätzliche Vorteile im Vergleich zu konventionellen PV-Speichern zu bieten.show moreshow less

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Metadaten
Author:David-Benjamin Steber
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-101891
Referee:Reinhard German
Advisor:Reinhard German
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Embargo Date:2018/11/19
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2018/11/13
Release Date:2018/11/26
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International