Hydropower Area Equivalents
Reduced Models for Efficient Simulation of Large-Scale Hydropower Systems
Tid: To 2023-04-27 kl 13.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Språk: Engelska
Respondent: Evelin Blom , Elkraftteknik
Opponent: Arild Helseth, SINTEF
Handledare: Professor Lennart Söder, Elkraftteknik
QC 20230403
Abstract
Med mer än 4000 TWh årlig elproduktion värden över, spelar vattenkraft en viktig roll i många kraftsystem. Till skillnad från många andra förnyelsebara energikällor har vattenkraft en viss grad av styrbarhet och en hög nivå av flexibilitet över flera tidsskalor. Denna flexibilitet kan antas ha en stor betydelse för energisystemens övergång till mer varierande förnyelsebar energi och därmed även minska växthusgasutsläppen.
Givet den viktiga roll som vattenkraften har idag och även väntas fortsätta ha i framtida kraftsystem så är exakta modeller av vattenkraft nödvändiga. Eftersom vattenkraftens elproduktion är en icke-linjär funktion av tappningen med till exempel icke-linjära fallhöjdsberoenden och förbjuda driftszoner, blir detaljerade vattenkraftsmodeller snabbt beräkningstunga. Även linjära modeller med många sammankopplade stationer är ofta för komplexa för storskaliga kraftsystemsmodeller. Till följd av detta används ofta reducerade eller aggregerade modeller av vattenkraften för att simulera dess drift i olika kraftsystemsmodeller.
På grund av tidsmässiga och hydrologiska kopplingar i många vattenkraftssystem med stora älvar kan aggregering av vattenkraft utgöra signifikanta utmaningar. Det innebär att en aggregering baserat på historiska data kanske inte är tillräckligt bra för att exakt simulera vattenkraftsdriften. Likväl behövs fortfarande exakta reducerade modeller av vattenkraft för långsiktiga studier av nuvarande och framtida energisystem världen över. I den här avhandlingen är det grundläggande antagandet att den förenklade och reducerade vattenkraftsmodellen ska spegla den verkliga vattenkraftsdriften. Därför, istället för att aggregera de existerande vattenkraftsstationerna inom ett visst geografiskt område, ska man beräkna en ny vattenkrafts-area-Ekvivalent som har som mål att matcha den simulerade kraftproduktionen från en mer Detaljerad modell av det verkliga vattenkraftssystemet i det området.
I det här arbetet beräknas area-Ekvivalenterna genom värdena på modellparametrarna. Här görs detta främst genom ett optimeringsproblem med två nivåer. I den här avhandlingen föreslås olika metoder för att beräkna area-Ekvivalenterna tillsammans med olika modellformuleringar och formuleringar av två-nivå-optimeringen. Alla dessa jämförs i olika fallstudier av svenska vattenkraftssystem. Dessutom beskrivs en metod för en Bas-aggregering som också jämförs med de utvecklade area-Ekvivalenterna.
Studierna presenterade i den här avhandlingen visar på potentiella avvägningningar mellan olika typer av exakthet hos den Ekvivalenta modellen. Vissa problemformuleringar ger en högre grad av exakthet i timproduktion, andra i topproduktion eller total produktion över simuleringsperioden. Alla områdes Ekvivalenter presterar bättre än Bas-aggregeringen, överlag minskar felet i timproduktion med 50% för områdes Ekvivalenterna jämfört med Bas-aggregeringen. Dessutom lyckas de alla minska simuleringstiden jämfört med den Detaljerade referensmodellen med över 96%.