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.

Key words： wind power; long-distance transmission; local consumption; supermicrogrid

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).

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)