Hybrid power plant in frequency control : analysis of load sharing between turbine and energy storage, with a focus on synchronized operation and storage sizing

Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 8 May 2026, at 12 noon

Abstract

Nordic Transmission System operators have launched harmonized requirements for Frequency Containment Reserves (FCR), which demand enhanced grid balancing performance from FCR units and introduce new challenges for turbines. The prevailing industrial and academic assumptions suggest that the requirements are expected to increase mechanical wear on turbines. In response to this concern, this dissertation examines the integrated operation of the turbine and energy storage system, with the aim of reducing turbine deterioration through hybridization.

In the literature, hybridization typically aims to simplify qualification for FCR provision. In practice, this means that hybridization alters the input-output characteristics of the power plant without affecting turbine behavior. In this dissertation, an alternative perspective is proposed: the hybrid configuration is treated as a unified entity, with the main aim of modifying the turbine’s behavior without affecting the power plant’s overall characteristics. In addition to FCR qualification, the main advantage of the proposed approach is reduced mechanical stress on the turbine.

This research establishes an optimality concept that maximizes the utilization of available energy storage to attain minimal turbine contribution under the FCR requirements. The optimality concept enhances understanding of the dominant characteristics that impact load sharing between the turbine and energy storage. Within this framework, the load-sharing performance of various approaches, including linear time-invariant filtering, linear quadratic regulator, and receding horizon control, is compared both analytically and through simulations.

The analysis showed that the established theoretical optimality concept is attainable by design when advanced load-sharing methods are utilized. The key findings can be summarized as follows: 1) power plant behavior has a significant impact on the efficiency of FCR provision and the sizing requirements of the energy storage system, 2) the advanced load-sharing method can provide a significant reduction in the turbine’s contribution with a small energy storage system, and 3) the necessity of computationally complex methods has an inverse relationship with the size of the energy storage. Consequently, a well-designed hybrid power plant operation policy can result in a significant reduction in turbine contribution which should have a positive impact on turbine wear and tear.Tiivistelmä

Pohjoismaiset kantaverkkoyhtiöt ovat ottaneet käyttöön uudet vaatimukset taajuusohjatuille reserveille (Frequency Containment Reserves, FCR). Uudet vaatimukset edellyttävät parempaa suorituskykyä sähköverkkoa tasapainottavilta FCR-yksiköiltä, minkä oletetaan johtavan turbiinien mekaanisen kuormituksen kasvuun. Tässä väitöskirjassa tutkitaan turbiinin ja energiavaraston integroitua operointia, tavoitteena vähentää turbiinin kulumista.

Aiemmissa tutkimuksissa energiavaraston lisäämisen (hybridisoinnin) ensisijaisena tavoitteena on ollut parantaa voimalaitoksen suorituskykyä FCR-kelpoisuuden saamiseksi. Näin ollen hybridisoinnilla on muutettu voimalaitoksen dynaamista käyttäytymistä ilman merkittävää vaikutusta turbiinin toimintaan. Tässä työssä esitetään vaihtoehtoinen lähestymistapa, jonka tavoitteena on jakaa osa turbiinin kuormituksesta energiavarastolle vaikuttamatta voimalaitoksen dynaamiseen käyttäytymiseen. Lähestymistavan keskeinen etu on siinä, että turbiinin kokema rasitus vähenee ja samanaikaisesti taataan FCR vaatimusten täyttäminen.

FCR-vaatimuksia käyttäen, työssä kehitetään optimaalisen kuormanjaon käsite, jossa tavoitellaan maksimaalista energiavaraston hyödyntämistä mahdollisimman matalan turbiinin kuormituksen aikaansaamiseksi. Optimaalisuuskäsitteen avulla syvennetään ymmärrystä keskeisistä ominaisuuksista, jotka vaikuttavat turbiinin ja energiavaraston väliseen kuormanjakoon. Kehitettyä optimaalisuuskonseptia käytetään erilaisten menetelmien (LTI-suodatus, LQR-säätö ja Receding Horizon Control) kuormanjaon suorituskyvyn arviointiin analyyttisesti sekä simuloinnein.

Analyysi osoittaa, että kehittyneitä menetelmiä käyttäen optimaalinen kuormanjako turbiinin ja energiavaraston välillä voidaan saavuttaa. Työn keskeisimmät havainnot voidaan tiivistää seuraavasti: 1) voimalaitoksen dynaamisella käyttäytymisellä on suuri merkitys FCR reservin tuotannon tehokkuuteen sekä energiavaraston mitoitukseen, 2) kehittynyttä kuormanjakomenetelmää hyödyntämällä voidaan merkittävästi vähentää turbiinin kuormitusta pienelläkin energiavarastolla, 3) laskennallisesti monimutkaisten menetelmien tarpeellisuus on kääntäen verrannollinen käytettävissä olevaan energiavaraston kokoon. Näin ollen, hyvin suunnitellulla hybridivoimalaitoksen operointitavalla voidaan aikaansaada merkittävä turbiinin kuormituksen aleneminen, minkä tulisi vaikuttaa positiivisesti turbiinin kulumiseen.