Participation of battery storage systems in the automatic frequency restoration reserve market based on machine learning

Merten, Michael; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Rehtanz, Christian (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 150
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (xi, 187 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Automatic Frequency Restoration Reserve (aFRR) ist eine von drei Regelleistungsarten in Kontinentaleuropa, um Ungleichgewichte im elektrischen Netz auszugleichen. Durch den Übergang zu einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien werden in Zukunft weniger konventionelle Kraftwerke zur Stabilisierung des Stromnetzes zur Verfügung stehen. Neue Technologien stehen jedoch aufgrund des komplexen Designs des aFRR-Marktes vor verschiedenen Eintrittsbarrieren. Diese Arbeit liefert eine detaillierte aFRR-Marktanalyse und leitet Erlöspotenziale für verschiedene Bieterstrategien ab. Indem nicht auf konventionelle Kraftwerke zur Stabilisierung des Stromnetzes gesetzt wird, trägt diese Arbeit dazu bei, einen höheren Anteil an erneuerbaren Energien zu ermöglichen. Um die Erstellung von Bieterstrategien zu unterstützen, wird eine Methodik zur Marktprognose vorgestellt. Für jedes potenzielle Gebot wird die Zuschlagswahrscheinlichkeit im nächsten Auktionsprozess abgeleitet. Sowohl statistische als auch auf maschinellem Lernen basierende Modelle werden für die Prädiktion wichtiger Marktgrößen verwendet. Ein Modellvergleich anhand zahlreicher Zeitreihen zeigt eine meist bessere Performance der statistischen Modelle. Nur in Ausnahmefällen erzielen neuronale Netzwerke bessere Ergebnisse als die statistischen Modelle. Exogene Datenquellen wie Wetter, elektrische Lasten oder Strommarktdaten konnten die Prädiktion nicht signifikant verbessern. In dieser Arbeit wurde zudem eine Betriebsstrategie entwickelt, die es Batteriespeichersystemen (BESS) und bestehenden virtuellen Kraftwerken (VPP) erlaubt, gemeinsam am aFRR-Markt teilzunehmen. Die Betriebsstrategie nutzt die Vorteile mehrerer Technologien, wodurch ein Maximum der Erzeugungskapazitäten auf dem Markt verkauft werden können. Basierend auf einem Optimierungsprozess und den Ergebnissen der oben genannten Prädiktionen wird eine Bieterstrategie vorgestellt, die die Gebote für die aFRR-Auktion optimiert. Eine detaillierte Kostenaufschlüsselung und ein Batteriealterungsmodell unterstützen die Ableitung optimaler Gebote und Erlöspotentiale. Ein besonderer Fokus liegt auf VPPs, die nur aus erneuerbaren Quellen und einem BESS bestehen. Bei den derzeitigen Kosten für containerbasierte BESS ist ein Betrieb nicht wirtschaftlich. Im Vergleich zur Bereitstellung von Frequency Control Reserve (FCR) wurde festgestellt, dass die Gewinne auf dem aFRR-Markt geringer sind. Bei prognostizierten Kosten für das Jahr 2025 kann der gepoolte Betrieb jedoch Gewinne erwirtschaften und zur Netzstabilisierung in Zeiten mit hohem Anteil an erneuerbaren Quellen beitragen.

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