Optimal Asset Expansion in Distribution Networks Considering Battery Nonlinear Characteristics Expansion optimale des actifs dans les réseaux de distribution en tenant compte des caractéristiques non linéaires des batteries

Abstract

Asset expansion planning in distribution systems is vital and should be extended to consider utility-scale energy storage systems such as batteries. Unlike other assets, usage parameters such as number of storage cycles and depth of discharge (DOD) have a dramatic nonlinear effect on the lifetime of battery energy storage systems (BESSs). Hence, it is imperative to include the relationship between lifetime, number of storage cycles, and DOD of BESS in the optimal asset planning formulation. This paper presents a new formulation and solution for the optimization problem of asset expansion planning in power distribution systems. The research considers adding new BESS units to existing distribution grids. The nonlinear life–cycling–usage relationship of BESS has been modeled for the first time in the context of asset expansion planning in power systems. The formulation aims at minimizing the annualized cost of the expansion plan while satisfying forecasted demand and other distribution system requirements. The methodology is used to optimally plan for the expansion of 6-bus and 33-bus distribution networks. The results show the effect of considering the life–cycling–usage relationship of BESS on optimal asset expansion plans including the optimal size and capacity of the assets. In addition, the impact of the ratio of off-peak load to peak load on total asset cost is analyzed and reported. It is shown that an annual cost saving of 51.79% is possible via the proposed approach. Findings of this paper will capture the attention of planning and asset management departments of electric distribution utilities. Résumé—La planification de l’expansion des actifs dans les systèmes de distribution est vitale et devrait être étendue aux systèmes de stockage d’énergie à grande échelle, tels que les batteries. Contrairement à d’autres actifs, les paramètres d’utilisation tels que le nombre de cycles de stockage et la profondeur de décharge (PDD) ont un effet non linéaire considérable sur la durée de vie des systèmes de stockage d’énergie par batterie (SSEB). Il est donc impératif d’inclure la relation entre la durée de vie, le nombre de cycles de stockage et la PDD du SSEB dans la formulation optimale de la planification des actifs. Ce document présente une nouvelle formulation et solution au problème d’optimisation de la planification de l’expansion des actifs dans les systèmes de distribution d’énergie. La recherche envisage l’ajout de nouvelles unités SSEB aux réseaux de distribution existants. La relation non linéaire cycle de vie utilisation du SSEB a été modélisée pour la première fois dans le contexte de la planification de l’expansion des actifs dans les systèmes électriques. La formulation vise à minimiser le coût annualisé du plan d’expansion tout en satisfaisant la demande prévue et les autres besoins du système de distribution. Cette méthodologie permet de planifier de manière optimale l’extension des réseaux de distribution à 6 bus et à 33 bus. Les résultats montrent l’effet de la prise en compte de la relation cycle de vie utilisation du SSEB sur les plans d’expansion d’actifs optimaux, y compris la taille et la capacité optimales des actifs. En outre, l’impact du rapport entre la charge de non pointe et la charge de pointe sur le coût total des actifs est analysé et présenté. Il est démontré qu’une réduction des coûts annuelle de 51.79% est possible via l’approche proposée. Les conclusions de ce document attireront l’attention des services de planification et de gestion des actifs des services publics de distribution d’électricité.