Integration of the Transmission System Frequency-based Ancillary Services Markets within EU

LJUBLJANAC, ANDREA (author), Gubina, Andrej Ferdo (mentor)

The aim of the Electricity Balancing Guideline (EBGL) is to integrate balancing markets, and as a result, innovative solutions are being developed to realize these goals. These solutions are focused on creating a harmonised European balancing market, which will promote the use of storage providers, demand response and renewable energy sources (RES), that are exponentially entering the energy markets. Procuring balancing energy will move closer to real time, as the balancing process evolves from national to cross-border level. This is important due to increased amount of variable and uncertain RES, which are expected to cause power flow deviations. The balancing markets are becoming integrated through numerous projects being part of the ENTSO-E initiative and the Horizon 2020 framework, that aim to develop platforms for ancillary services’ standard products. These are defined in EBGL and can be exchanged across borders, while focusing on energy efficiency and low carbon technologies. Ancillary services complement energy markets and help ensure the balance in the grid, along with secure operation and quality of energy supply. They are divided into services that take care of frequency deviation processes, like balancing energy (frequency ancillary services), and services for voltage control, like reactive power and voltage support, as well as black start capability and ramping products (non-frequency ancillary services). The Transmission System Operators (TSOs) are procuring balancing energy on the markets with the goal of settling deviations from the nominal frequency in their regulation zones, while other ancillary services are less suitable for open market-based provision. The thesis aims to present innovative solutions for creating a harmonised European balancing market with lower balancing costs, through a made-up scenario of the South-east Europe (SEE) region integration. The scenario will demonstrate the cross-border balancing possibilities for the activation of the optimal bids to satisfy TSOs’ demands in the observed area. To achieve the goal of the thesis, an emphasis is put on frequency ancillary service’s standard product called Manual Frequency Restoration Reserve (mFRR) and the development of the mFRR platform within Horizon2020 project CROSSBOW. The solution presented in CROSSBOW project is a common system market platform for mFRR, which could act as a common European balancing market. Such a market could lower the balancing costs in the observed region by using cross-border balancing energy, hence increasing social welfare within the region. The benefits of mFRR platform are of great importance to the South-East European countries, including Slovenia. Activation of cross-border balancing energy with the help of Activation Optimization Function and Common Merit Order List and improved allocation of real-time Cross-Zonal Capacities ease the future process of harmonizing regulatory frameworks and legislation.

• Language: English
• Keywords: Balancing Energy Market, ancillary services, EBGL, frequency restoration, manual Frequency Restoration Reserve
• Work type: Master's thesis/paper
• Organization: FE - Faculty of Electrical Engineering
• Year: 2020
• PID: 20.500.12556/RUL-120990
• Publication date in RUL: 28.09.2020

Secondary language

• Language: Slovenian
• Title: Integracija trgov frekvenčnih sistemskih storitev na nivoju prenosnega omrežja v EU

Abstract

V idealnem elektroenergetskem sistemu bi bili proizvodnja in poraba električne energije v vsakem trenutku v ravnovesju. V realnem sistemu pa temu ni tako, saj je napovedovanje proizvodnje in porabe odvisno od različnih dejavnikov, ki jih je nemogoče natančno napovedati. Odstopanja, ki se dogajajo vsakodnevno, vplivajo na električno omrežje. Delovanje sistemskih storitev zagotavlja ravnotežje, zanesljivo delovanje in kakovost oskrbe. Razdeljene so na storitve, ki skrbijo za odstopanje frekvence in storitve za regulacijo napetosti. Frekvenčne storitve lahko naprej razdelimo na storitve vzdrževanja frekvence (primarna regulacija frekvence), avtomatski proces povrnitve frekvence (sekundarna regulacija frekvence) in ročni proces povrnitve frekvence (terciarna regulacija frekvence). Cilj smernic za izravnavo električne energije (EBGL) je povezovanje izravnalnih trgov z električno energijo, ki bo mogoče z uvedbo inovativnih rešitev, ki bodo koristile vsem udeležencem na trgu. Te rešitve so osredotočene na oblikovanje usklajenega evropskega izravnalnega trga, ki bo spodbujal izkoriščanje hranilnikov energije, enot s prilagodljivo porabo in obnovljivih virov energije (OVE), ki eksponentno vstopajo na energetski trg. Zagotavljanje energije za izravnavo se bo bližalo realnemu času, saj se izravnalni procesi ne bodo izvajali le na nacionalni ravni, ampak tudi na meddržavni ravni. Čezmejno povezovanje izravnalnih trgov je predmet številnih projektov, ki spadajo pod ENTSO-E in Obzorje 2020. Namen projektov ENTSO-E in Obzorje 2020 je razviti platforme za produkte sistemskih storitev, opredeljene v EBGL, ki jih je mogoče izmenjevati med državami s poudarkom na energetski učinkovitosti in nizkoogljičnih tehnologijah. Projekte ENTSO-E lahko razdelimo glede na njihove glavne cilje. To so platforma EU za izvedbo postopka netiranja odstopanj (projekt IGCC), platforma EU aFRR (projekt PICASSO), platforma EU mFRR (projekt MARI), platforma EU RR (projekt TERRE) in sodelovanje FCR (projekt FCR). Vsak projekt obravnava določen standardni produkt s ciljem izboljšanja storitev. Projekte programa Obzorje 2020 družijo tudi cilji, kot so predstavitev tehnologij, ki regionalnemu prenosnemu omrežju ponujajo večjo fleksibilnost in robustnost (CROSSBOW), izboljšano usklajevanje OPS-ODS in izboljšanje pomožnih storitev (SmartNet), razvoj prilagodljivosti medsebojnih povezav OPS-ODS za visoko integracijo obnovljivih virov energije (OSMOSE), usklajevanje med sistemskimi operaterji prenosnih sistemov in upravljavci prenosnih omrežij in olajšanje porazdeljene integracije obnovljivih virov energije (INTERRFACE) ter regionalna platforma za sistemske storitve, ki olajšajo postopek za napredne potrošnike (FutureFlow). CROSSBOW (Čezmejno upravljanje energije iz spremenljivih proizvodnih in shranjevalnih enot, ki omogoča trgovanje na veleprodajnem trgu) je projekt programa Obzorje 2020 projekt, ki ga vodi skupina ETRA in je osredotočen na zagotavljanje rešitev za 8 sistemskih operaterjev prenosnih omrežij v jugo vzhodni Evropi. Glavni cilj projekta je večja delitev virov prek meja, pridobljenih iz različnih OVE in hranilnikov energije, hkrati pa spodbujanje njihovih ekonomskih koristi. Cilj projekta je razviti tehnologije, ki bodo olajšale postopek izmenjave električne energije in nadzor nad njo, upravljale nove rešitve za shranjevanje, razvijale nadnacionalni veleprodajni trg, ki temelji na OVE, hkrati pa izboljševale strategijo povpraševanja in odziva, opaznost omrežja in prilagodljivost proizvodnje električne energije. Cilj magistrske naloge je predstaviti inovativno rešitev za oblikovanje usklajenega evropskega izravnalnega trga z nižjimi izravnalnimi stroški s pomočjo platforme CROSSBOW mFRR na primeru sestavljenega scenarija povezovanja držav Jugovzhodne Evrope. Izbrani scenarij bo prikazal čezmejne možnosti izravnave za aktiviranje ponudb, ki zadovoljijo zahteve OPS na opazovanem območju in zagotavljajo večajo družbeno dobrobit. Poudarek je na standardnem produktu za izravnavo frekvence, imenovanem ročni proces izravnave frekvence (ang. Manual Frequency Restoration Reserve, mFRR), in razvoju mFRR platforme v okviru projekta CROSSBOW. Rešitev, ki je predstavljena v projektu CROSSBOW je skupna sistemska tržna platforma za mFRR, ki bi lahko delovala kot skupni evropski izravnalni trg. Z uporabo čezmejne izravnalne energije bi se lahko znižali izravnalni stroški v opazovani regiji in s tem povečalo družbeno dobrobit (ang. social welfare). Prednosti platforme mFRR so zelo pomembne za države jugovzhodne Evrope, vključno s Slovenijo. Aktiviranje čezmejne izravnalne energije s pomočjo funkcije za optimizacijo aktivacije (ang. Activation Optimisation Function, AOF) in izmenjava izravnalne energije s pomočjo skupnega urejenega seznama ponudb (ang. Common Merit Order List, CMOL) ter boljše razporejanje čezmejnih prenosnih zmogljivosti v realnem času olajšajo prihodnji postopek usklajevanja regulativnih okvirov in zakonodaje. Scenarij, predstavljen v magistrskem delu, temelji na uporabi platforme mFRR, ki se razvija v okviru projekta CROSSBOW. Ker je platforma še v razvoju, so vsi podatki, uporabljeni v scenariju, in rezultati izmišljeni. Ta vrsta analize je bila narejena za prikaz koristi, ki jih lahko nudi platforma mFRR. Scenarij je prikazan na primeru 8 držav v regiji Jugovzhodne Evrope, to so Slovenija, Hrvaška, Bosna in Hercegovina, Črna gora, Srbija, Romunija, Bolgarija in Severna Makedonija. Za to skupino držav je značilno, da vsaka neposredno meji na Srbijo, razen Slovenije. Med dvema ponudbenima območjema (ang. bidding zones) se količina, ki se lahko uporabi za čezmejni prenos imenuje čezmejna prenosna zmogljivost (ang. Cross-Zonal Capacity, ČPZ). Da bi zagotovili zanesljivo delovanje omrežja, mora biti vrednost ČPZ znotraj predpisanih meja. Po izbiri najboljših ponudb PSI, ki ustrezajo zahtevam OPS in ponovnem izračunu ČPZ, je mogoče izračunati stroške zahtev in aktivacij navzgor in navzdol ter na koncu izravnavo OPS-OPS. Vsota vseh neto stroškov OPS-OPS daje končni rezultat, kar je najemnina za zastoje, ki se razdeli med OPS-je. Ta znesek se pojavi zaradi zastojev in ostane v proračunu platforme. Uporablja se lahko za procese, kot so vzdrževalna dela sistemskih operaterjev prenosnih omrežij itd. Platforma mFRR bi lahko zmanjšala stroške izravnave sistema v regiji zaradi aktivacije čezmejne izravnalne energije ter povečala družbeno dobrobit. Platforma bo temeljila na blockchain tehnologiji, ki bo omogočila decentralizacijo inovativne večnamenske platforme. Tako bo platforma ponujala transakcije na pregleden in varen način.

• Keywords: izravnalni trg z električno energijo, sistemske storitve, EBGL, uravnavanje frekvence, ročni proces povrnitve frekvence (terciarna regulacija frekvence)