Efficient utilization of wind power: Long-distance transmission or local consumption?

Abstract

Excess wind power produced in wind-intensive areas is normally delivered to remote load centers via long-distance transmission lines. This paper presents a comparison between long-distance transmission, which has gained popularity, and local energy consumption, in which a fraction of the generated wind power can be locally consumed by energy-intensive industries. First, the challenges and solutions to the long-distance transmission and local consumption of wind power are presented. Then, the two approaches to the utilization of wind power are compared in terms of system security, reliability, cost, and capability to utilize wind energy. Finally, the economic feasibility and technical feasibility of the local consumption of wind power are demonstrated by a large and isolated industrial power system, or supermicrogrid, in China. The coal-fired generators together with the short-term interruptible electrolytic aluminum load in the supermicrogrid are able to compensate for the intermittency of wind power. In the long term, the transfer of high-energy-consumption industries to wind-rich areas and their local consumption of the available wind power are beneficial.

Keywords

wind power / long-distance transmission / local consumption / supermicrogrid

References

[1] Hart E H, Stoutenburg E D, Jacobson M Z. The potential of intermittent renewables to meet electric power demand: Current methods and emerging analytical techniques. Proceedings of the IEEE, 2012, 100(2): 322–334 

[2] Erlich I, Shewarega F, Feltes C,  Offshore wind power generation technologies. Proceedings of the IEEE, 2013, 101(4): 891–905

[3] GWEC. Global Wind Report 2015—Annual market update. 2016. Retrieved from http://www.gwec.net/wp-content/uploads/vip/GWEC-Global-Wind-2015-Report_April-2016_22_04.pdf

[4] Hatziargyriou N, Zervos A. Wind power development in Europe. Proceedings of the IEEE, 2001, 89(12): 1765–1782

[5] Paulus M, Borggrefe F. The potential of demand-side management in energy-intensive industries for electricity markets in Germany. Applied Energy, 2011, 88(2): 432–441

[6] Ackermann T, Abbad J R, Dudurych I M,  European balancing act. IEEE Power & Energy Magazine, 2007, 5(6): 90–103

[7] Farahmand H, Aigner T, Doorman G L,  Balancing market integration in the Northern European continent: A 2030 case study. In: Proceedings of IEEE Power and Energy Society General Meeting. IEEE, 2013

[8] Hammons T J, Lescale V F, Uecker K,  State of the art in ultrahigh-voltage transmission. Proceedings of the IEEE, 2012, 100(2): 360–390

[9] BP. BP Statistical Review of World Energy 2016. Retrieved from bp.com/statisticalreview

[10] Piwko R, Osborn D, Gramlich R,  Wind energy delivery issues [transmission planning and competitive electricity market operation]. IEEE Power & Energy Magazine, 2005, 3(6): 47–56 

[11] Swisher R, De Azua C R, Clendenin J. Strong winds on the horizon: Wind power comes of age. Proceedings of the IEEE, 2001, 89(12): 1757–1764

[12] Aparicio N, MacGill I, Rivier Abbad J,  Comparison of wind energy support policy and electricity market design in Europe, the United States, and Australia. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2012, 3(4): 809–818

[13] U.S. Energy Information Administration. Electricity Data. Retrieved from http://www.eia.gov/electricity/data.cfm#generation

[14] National Energy Administration of China. The Utilization Hours of Many Generating Sets is Decreasing in 2015. 2016 (in Chinese)

[15] Purvins A, Zubaryeva A, Llorente M,  Challenges and options for a large wind power uptake by the European electricity system. Applied Energy, 2011, 88(5): 1461–1469

[16] Giebel G. A variance analysis of the capacity displaced by wind energy in Europe. Wind Energy (Chichester, England), 2007, 10(1): 69–79

[17] Østergaard P A. Geographic aggregation and wind power output variance in Denmark. Energy, 2008, 33(9): 1453–1460

[18] Aigner T, Jaehnert S, Doorman G L,  The effect of large-scale wind power on system balancing in Northern Europe. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2012, 3(4): 751–759 

[19] Ma X, Sun Y, Fang H,  Scenario-based multiobjective decision-making of optimal access point for wind power transmission corridor in the load centers. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2013, 4(1): 229–239

[20] State Electricity Regulatory Commission of China. Supervision Report of Wind Power Utilization in Key Areas. 2012 (in Chinese)

[21] Rebours Y, Kirschen D. A Survey of Definitions and Specifications of Reserve Services. University of Manchester Report. 2005

[22] Ahmadi-Khatir A, Conejo A J, Cherkaoui R. Multi-area energy and reserve dispatch under wind uncertainty and equipment failures. IEEE Transactions on Power Systems, 2013, 28(4): 4373–4383

[23] Huang D, Shu Y, Ruan J,  Ultra high voltage transmission in China: Developments, current status and future prospects. Proceedings of the IEEE, 2009, 97(3): 555–583

[24] National Development and Reform Commission. 12th Five-Year-Plan of Renewable Energy Development. 2012 (in Chinese)

[25] Heydt G T, Ayyanar R, Hedman K W,  Electric power and energy engineering: The first century. Proceedings of the IEEE, 2012, 100(Special Centennial Issue): 1315–1328

[26] Haileselassie T M, Uhlen K. Power system security in a meshed North Sea HVDC grid. Proceedings of the IEEE, 2013, 101(4): 978–990

[27] Egea-Alvarez A, Bianchi F, Junyent-Ferre A,  Voltage control of multiterminal VSC-HVDC transmission systems for offshore wind power plants: Design and implementation in a scaled platform. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(6): 2381–2391

[28] Liang J, Jing T, Gomis-Bellmunt O,  Operation and control of multiterminal HVDC transmission for offshore wind farms. IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, 26(4): 2596–2604

[29] Abdel-Khalik A S, Massoud A M, Elserougi A A,  Optimum power transmission-based droop control design for multi-terminal HVDC of offshore wind farms. IEEE Transactions on Power Systems, 2013, 28(3): 3401–3409

[30] Kabouris J, Kanellos F D. Impacts of large-scale wind penetration on designing and operation of electric power systems. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2010, 1(2): 107–114

[31] Xie L, Carvalho P M S, Ferreira L A F M,  Wind integration in power systems: Operational challenges and possible solutions. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(1): 214–232

[32] Ma X, Sun Y, Fang H. Scenario generation of wind power based on statistical uncertainty and variability. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2013, 4(4): 894–904

[33] Piwko R, Meibom P, Holttinen H,  Penetrating insights: Lessons learned from large-scale wind power integration. IEEE Power and Energy Magazine, 2012, 10(2): 44–52

[34] Navid N, Rosenwald G. Market solutions for managing ramp flexibility with high penetration of renewable resource. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2012, 3(4): 784–790

[35] RWE. The Need for Smart Megawatts Power Generation in Europe—Facts & Trends. 2009

[36] Lannoye E, Flynn D, O’Malley M. Evaluation of power system flexibility. IEEE Transactions on Power Systems, 2012, 27(2): 922–931

[37] Hossain M J, Pota H R, Mahmud M A,  Investigation of the impacts of large-scale wind power penetration on the angle and voltage stability of power systems. IEEE Systems Journal, 2012, 6(1): 76–84

[38] Chompoo-inwai C, Lee W J, FuangfooP,  System impact study for the interconnection of wind generation and utility system. IEEE Transactions on Industry Applications, 2005, 41(1): 163–168

[39] Slootweg J G, Kling W L. The impact of large scale wind power generation on power system oscillations. Electric Power Systems Research, 2003, 67(1): 9–20

[40] Domínguez-García J L, Gomis-Bellmunt O, Bianchi F D,  Power oscillation damping supported by wind power: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(7): 4994–5006

[41] Tsourakis G, Nomikos B M, Vournas C D. Contribution of doubly fed wind generators to oscillation damping. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2009, 24(3): 783–791

[42] Gu Y, McCalley J D, Ni M. Coordinating large-scale wind integration and transmission planning. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2012, 3(4): 652–659

[43] Yu H, Chung C Y, Wong K P,  A chance constrained transmission network expansion planning method with consideration of load and wind farm uncertainties. IEEE Transactions on Power Systems, 2009, 24(3): 1568–1576

[44] Muñoz C, Sauma E, Contreras J,  Impact of high wind power penetration on transmission network expansion planning. IET Generation,  Transmission  &  Distribution,  2012, 6(12): 1281–1291

[45] Manjure D P, Mishra Y, Brahma S,  Impact of wind power development on transmission planning at midwest ISO. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2012, 3(4): 845–852

[46] Salazar H, Liu C C, Chu R F. Decision analysis of merchant transmission investment by perpetual options theory. IEEE Transactions on Power Systems, 2007, 22(3): 1194–1201

[47] Ni M, Yang Z. By leaps and bounds: Lessons learned from renewable energy growth in China. IEEE Power and Energy Magazine, 2012, 10(2): 37–43

[48] Giebel G, Brownsword R, Kariniotakis G,  The State-of-the-Art in Short-Term Prediction of Wind Power: A Literature Overview, 2nd Edition. Risø National Laboratory, Technical Report. 2011

[49] Monteiro R B C, Miranda V, Botterud A,  Wind Power Forecasting: State of the Art 2009. Argonne National Laboratory, Technical Report. 2009

[50] Tastu J, Pinson P, Trombe P J,  Probabilistic forecasts of wind power generation accounting for geographically dispersed information. IEEE Transactions on Smart Grid, 2014, 5(1): 480–489

[51] Yang M, Fan S, Lee W J. Probabilistic short-term wind power forecast using componential sparse Bayesian learning. IEEE Transactions on Industry Applications, 2013, 49(6): 2783–2792

[52] Pinson P. Estimation of the uncertainty in wind power forecasting. Dissertation for the Doctoral Degree. Paris: Ecole des Mines de Paris, 2006

[53] Wang J, Shahidehpour M, Li Z. Security-constrained unit commitment with volatile wind power generation. IEEE Transactions on Power Systems, 2008, 23(3): 1319–1327

[54] Tuohy A, Meibom P, Denny E,  Unit commitment for systems with significant wind penetration. IEEE Transactions on Power Systems, 2009, 24(2): 592–601

[55] Pinson P, Madsen H, Nielsen H A,  From probabilistic forecasts to statistical scenarios of short-term wind power production. Wind Energy (Chichester, England), 2009, 12(1): 51–62

[56] Jiang R, Wang J, Guan Y. Robust unit commitment with wind power and pumped storage hydro. IEEE Transactions on Power Systems, 2012, 27(2): 800–810

[57] Zhao C, Guan Y. Unified stochastic and robust unit commitment. IEEE Transactions on Power Systems, 2013, 28(3): 3353–3361

[58] Zhang N, Kang C, Kirschen D S,  Planning pumped storage capacity for wind power integration. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2013, 4(2): 393–401

[59] Sahin C, Shahidehpour M, Erkmen I. Allocation of hourly reserve versus demand response for security-constrained scheduling of stochastic wind energy. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2013, 4(1): 219–228

[60] Botterud A, Zhou Z, Wang J,  Demand dispatch and probabilistic wind power forecasting in unit commitment and economic dispatch: A case study of Illinois. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2013, 4(1): 250–261

[61] De Jonghe C, Hobbs B F, Belmans R. Optimal generation mix with short-term demand response and wind penetration. IEEE Transactions on Power Systems, 2012, 27(2): 830–839

[62] Lin W, Wen J, Liang J,  A three-terminal HVDC system to bundle wind farms with conventional power plants. IEEE Transactions on Power Systems, 2013, 28(3): 2292–2300

[63] Taggart S, James G, Dong Z,  The future of renewables linked by a transnational Asian grid. Proceedings of the IEEE, 2012, 100(2): 348–359

[64] Ding Z, Guo Y, Wu D,  A market based scheme to integrate distributed wind energy. IEEE Transactions on Smart Grid, 2013, 4(2): 976–984

[65] Hammons T J. Integrating renewable energy sources into European grids. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2008, 30(8): 462–475

[66] Obara S, Morizane Y, Morel J. A study of small-scale energy networks of the Japanese Syowa base in Antarctica by distributed engine generators. Applied Energy, 2013, 111: 113–128

[67] Lasseter R H. Smart distribution: Coupled microgrids. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(6): 1074–1082

[68] Nikkhajoei H, Lasseter R H. Distributed generation interface to the CERTS microgrid. IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, 24(3): 1598–1608

[69] Li J, Ma X, Liu C C,  Distribution system restoration with microgrids using spanning tree search. IEEE Transactions on Power Systems, 2014, 29(6): 3021–3029

[70] Bao I S, KimJ O. Reliability evaluation of customers in a microgrid. IEEE Transactions on Power Systems, 2008, 23(3): 1416–1422

[71] Zhao B, Zhang X, Chen J,  Operation optimization of standalone microgrids considering lifetime characteristics of battery energy storage system. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2013, 4(4): 934–943

[72] Chang C A, Wu Y K, Chen W T,  A novel power system defense plan to cope with 30% wind power penetration in the isolated Penghu system. IEEE Transactions on Industry Applications, 2013, 49(4): 1669–1677

[73] Hatziargyriou N, Asano H, Iravani R,  Microgrids. IEEE Power and Energy Magazine, 2007, 5(4): 78–94

[74] Marrero G A, Ramos-Real F J. Electricity generation cost in isolated system: The complementarities of natural gas and renewables in the Canary Islands. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(9): 2808–2818

[75] Rehman S, Mahbub Alam M, Meyer J P,  Feasibility study of a wind-PV-diesel hybrid power system for a village. Renewable Energy, 2012, 38(1): 258–268

[76] Kaldellis J, Kapsali M, Kavadias K. Energy balance analysis of wind-based pumped hydro storage systems in remote island electrical networks. Applied Energy, 2010, 87(8): 2427–2437

[77] Sun Y, Lin J, Song Y,  An industrial system powered by wind and coal for aluminum production: A case study of technical demonstration and economic feasibility. Energies, 2012, 5(12): 4844–4869

[78] Lin J, Sun Y, Song Y,  Wind power fluctuation smoothing controller based on risk assessment of grid frequency deviation in an isolated system. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2013, 4(2): 379–392

[79] Xu J, Liao S, Sun Y,  An isolated industrial power system driven by wind-coal power for aluminum productions: A case study of frequency control using voltage adjusting. IEEE Transactions on Power Systems, 2015, 30(1): 471–483

[80] Jiang H, Lin J, Song Y,  Demand side frequency control scheme in an isolated wind power system for industrial aluminum smelting production. IEEE Transactions on Power Systems, 2014, 29(2): 844–853

[81] Liao S Y, Xu J, Sun Y,  Load-damping characteristic control method in an isolated power system with industrial voltage-sensitive load. IEEE Transactions on Power Systems, 2015, 2015(31): 1118–1128

[82] Cui T, Lin W, Sun Y,  Excitation voltage control for emergency frequency regulation of island power system with voltage-dependent loads. IEEE Transactions on Power Systems, 2016, 31(2): 1204–1217

[83] Jiang H, Lin J, Song Y,  MPC-based frequency control with demand-side participation: A case study in an isolated wind-aluminum power system. IEEE Transactions on Power Systems, 2015, 30(6): 3327–3337

[84] Sun Y, Liao S, Xu J,  Industrial implementation of a wide area measurement system based control scheme in an isolated power system driven by wind-coal power for aluminum productions. IET Generation, Transactions and Distribution, 2016, 10(8): 1877–1882

[85] Bao Y, Xu J, Sun Y,  An industrial verification of frequency regulation by electrolytic aluminum in an isolated power system. In: Proceedings of Power and Energy Society General Meeting. IEEE, 2016, 1–5 

[86] Bridges J E. Wind power energy storage for in situ shale oil recovery with minimal CO₂ emissions. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2007, 22(1): 103–109

[87] Mozina C J. Wind-power generation: Impact of wind generators on distribution systems. IEEE Industry Applications Magazine, 2011, 17(3): 37–43 

[88] Lopes J P, Moreira C, Madureira A. Defining control strategies for microgrids islanded operation. IEEE Transactions on Power Systems, 2006, 21(2): 916–924

[89] Siddiqui A S, Marnay C. Distributed generation investment by a microgrid under uncertainty. Energy, 2008, 33(12): 1729–1737

[90] Chen S X, Gooi H B, Wang M Q. Sizing of energy storage for microgrids. IEEE Transactions on Smart Grid, 2012, 3(1): 142–151

[91] Zhou W, Lou C, Li Z,  Current status of research on optimum sizing of stand-alone hybrid solar—Wind power generation systems. Applied Energy, 2010, 87(2): 380–389

[92] Luo C, Ooi B T. Frequency deviation of thermal power plants due to wind farms. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, 21(3): 708–716

[93] Lew D, Brinkman G, Kumar N,  Impacts of wind and solar on emissions and wear and tear of fossil-fueled generators. In: Proceedings of 2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2012, 1–8

[94] Cardenas R, Pena R, Alepuz S,  Overview of control systems for the operation of DFIGs in wind energy applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(7): 2776–2798

[95] Ma H, Chowdhury B. Working towards frequency regulation with wind plants: Combined control approaches. IET Generation, Transactions and Distribution, 2010, 4(4): 308–316

[96] Chang-Chien L R, Lin W T, Yin Y C. Enhancing frequency response control by DFIGs in the high wind penetrated power systems. IEEE Transactions on Power Systems, 2011, 26(2): 710–718

[97] Zhang Z, Sun Y, Lin J,  Coordinated frequency regulation by doubly fed induction generator-based wind power plants. IET Generation, Transactions and Distribution, 2012, 6(1): 38–47

[98] Babu C A, Ashok S. Peak Load Management in Electrolytic Process Industries. IEEE Transactions on Power Systems, 2008, 23(2): 399–405

[99] State Power Investment Corporation.Feasibility Study on the Demonstration Project of Circular Economy in East Inner Mongolia. 2010 (in Chinese)

[100] National Development and Reform Commission. Notice on price policy improvement for onshore wind power. 2009. Retrieved from http://zfxxgk.ndrc.gov.cn/PublicItemView.aspx?ItemID={bef52635-547c-490f-8334-7fdbdb5d057a} (in Chinese)

[101] Ministry of Industry and Information of China. 12th Five-Year-Plan of Nonferrous Metals. 2011 (in Chinese)

[102] Information Website on China’s Industry. The 2015 statistics on provincial yield of electrolytic aluminum in China. 2015. Retrieved from http://www.chyxx.com/data/201511/356162.html (in Chinese)

[103] Electrolytic Aluminum Industry. Why the production capacity is excess, while there are newly built projects? 2013. Retrieved from http://finance.people.com.cn/n/2013/0520/c1004-21536244.html(in Chinese)

Acknowledgements

This work was supported in part by the Ministry of Science and Technology of China (Grant No. 2016YFB0900105) and the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51190105 and 51477122).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg