In order to ensure a stable power system, a balance between production and consumption at every given moment is necessary. An indication of this balance is the system frequency, which deviates from its nominal value in case of imbalance. With an increasing share of weather dependent energy in the Nordic synchronous system, such as wind power, the need for stabilizing services are becoming even more crucial. Ancillary services are a way of keeping the frequency stabilized, they are provided by different actors in the power system with flexible production or consumption. This contributes to increasing or decreasing the input and output of energy to the system when needed. Ancillary services are procured in separate markets that are structured and designed by the transmission system operator, Svenska kraftnät. This thesis investigates wind power and its potential of providing ancillary services in the Swedish power system. The report presents two different studies which are performed based on two specific wind farms in Sweden. Firstly, the possibility of providing ancillary services by the wind farms alone are considered with emphasis on the economic profitability. A model is used to present a theoretical maximum of income based on historical production and market data from 2022. The second study has an additional aspect of combining the wind farms with a battery energy storage system (BESS), creating a hybrid system, to examine the potential improvement of income for the company. Due to the production being dependent on weather conditions, the BESS can provide additional contribution when needed. The second study is performed using an optimization model in order to optimize the use of the BESS for the simulated period. The results presented an increase of revenues when participating on the ancillary service markets for both studies. The first study showed that down regulating services were the most profitable, this being FCR-D down and aFRR down. With the hybrid system, the profitability was even more significant. It demonstrated a big potential of participating on the FFR market during the summer and FCR-D during winter. Furthermore, the hybrid system also showed an increase in participation on the up-regulating markets. Without the BESS, the windfarm is forced to curtail production toparticipate in the up-regulating markets, which proved to be less profitable than participating on down-regulating markets. The results also give an understanding of the cycling of the BESS and how this affects the results and the BESS lifetime. With coming market development, the conditions on the ancillary service markets is expected to change, the effect of this is considered in a sensitivity analysis. Finally, the studies collectively show the opportunity for wind power to contribute to stabilizing the power system and ensuring the security of energy supply in the Nordicsynchronous system.

Many of the over 3300 churches in Sweden are only used a couple of times a week and are kept cold in between sessions. The occasional heating results in a power spike which burdens both grid and wallet in form of an increased grid fee. With the help of a battery and peak shaving, the peak can be lessened. While the battery is not used for this purpose it can instead be used to support the grid. The aim of this project was to investigate how this could be achieved. As the energy production strives towards more sustainable methods, new problems in the grid can start to show up. One problem is the lack of rotational inertia in a new wind and solar based energy system. That will lead to new problems keeping the correct frequency of 50 Hz in the grid. To keep the frequency in an acceptable range, the Swedish transmission system operator (TSO), Svenska kraftnät, buys stability services which can come from the batteries in the church. Various stability services are available such as FCR and FFR. In this report calculations were made to research the potential profit if stability services would have been sold during 2022. The result shows that the profit was quite high, the investment cost of the batteries would be paid off in just a couple of years. In addition to this the batteries can also be used to support the local grid, participating in local flexibility markets, or even helping with voltage regulation or power factor compensation if the need should arise. Under the current economic circumstances, batteries would be a beneficial investment for parishes within the Church of Sweden, both from an economical and societal point of view. / Med batterier installerade i eluppvärmda kyrkor kan församlingar minska sina nätavgifter och erbjuda stödtjänster till elnätet. På grund av rekordhög ersättning för att leverera stödtjänster kan återbetalningstiden på batterierna idag kapas till några fåtal år. Många kyrkor används endast ett fåtal gånger i veckan och hålls vid låg temperatur däremellan. Innan användning måste de värmas upp och kräver då en stor effekt viket belastar både elnät och plånbok. Batteripack kan då användas för att fördela denna effekttopp över en längre tid. När batterierna inte användas för uppvärmning kan de användas för andra uppgifter såsom till exempel stödtjänster. Projektets syfte är därför att undersöka de systemnyttor som kan uppnås med batterier installerade vid eluppvärmda kyrkor, både på lokal och transmissionsnätsnivå samt de ekonomiska fördelarna med detta. Med utbyggnaden av förnyelsebara energikällor förändras dynamiken i elnätet då dessa saknar den stabiliserande rotationsmassan och planerbarheten som finns i de stora vatten- och kärnkraftverken. För att upprätthålla balansen och stabilitet i elnätet köper Svenska kraftnät stödtjänster, vilka skulle kunna erbjudas med kyrkornas eventuella batterier. Dessa tjänster kan vara frekvenshållningsreserver så som FCR-D, FCR-N eller FFR. På grund av de höga elpriserna har det varit mycket lönsamt att sälja dessa tjänster under den senaste tiden, något som kan ändras allteftersom läget i elnätet förändras. I denna rapport beräknades hur mycket kyrkan hade kunnat tjäna på att leverera stödtjänster under år 2022. Detta gjordes genom statistik från svenska kraftnät och en modell i beräkningsprogrammet Matlab. Utöver dessa stora nätomtäckande stödtjänsterna kan även batterierna användas för att på lokal nivå utjämna de effekttoppar som uppkommer mot överliggande nät, till exempel en kall vinterdag. Dessa effekttoppar kan vara ett problem bland annat då transmissionsnätet inte hinner byggas ut i samma takt som storstäderna, vilket späds på av den ökande graden av elektrifiering av samhället i stort. Redan i dag finns marknader för detta i bland annat Stockholm (sthlmflex) och Göteborg (Effekthandel Väst). Det är även möjligt att med batterierna och dess växelriktare hjälpa till med spänningsreglering, effektfaktorkompensering eller liknande om behov skulle uppstå. Slutsatserna som dragits från projektet är att det i dagsläget finns goda ekonomiska och samhällsnyttiga själ till att investera i ett batterisystem. Men då elsystemet idag ändras snabbt finns det vissa osäkerheter i hur framtidsläget kommer att se ut.

This bachelor thesis investigates what kind of battery system that is suitable for an electric driveline equipped with a mechanical fly wheel, focusing on a battery with high specific energy capacity. Basic battery theory such as the principle of an electrochemical cell, limitations and C-rate is explained as well as the different major battery systems that are available. Primary and secondary cells are discussed, including the major secondary chemistries such as lead acid, nickel cadmium (NiCd), nickel metal hydride (NiMH) and lithium ion (Li-ion). The different types of Li-ion chemistries are investigated, explained and compared against each other as well as other battery technologies. The need for more complex protection circuitry for Li-ion batteries is included in the comparison. Request for quotations are made to battery system manufacturers and evaluated. The result of the research is that the Li-ion NMC energy cell is the best alternative, even if the cost per cell is the most expensive compared to other major technologies. Due to the budget, the LiFeMnPO4 chemistry is used in the realisation of the final system, which is scaled down with consideration to the power requirement.

Energy Storage Battery Systems (BESS) will have an important role in the transformation from conventional energy systems to the decentralized energy systems of the future with a larger share of renewable energy sources. At the same time, the high investment costs for batteries are a challenge to the development and transformation of the Swedish energy system. This study examines the technical and economic performance of a battery system in a case study, where it is connected to a waste vacuum machine with daily power peaks that are higher than the base demand. The purpose of the battery system is to combine it for peak shaving and for Svenska Kraftnät's market for grid services. This study also examines how a service-based business model, where the ownership of the battery is transferred to a third party, affects value proposition, value creation and value capture. The results from this study show that actual cost savings are realized through peak shaving as well as opportunities for revenue by offering the battery for grid services. Furthermore, scenario modeling shows on certain operational insights, that at a certain level of compensation for grid services, it is most profitable to perform as high peak shaving as possible. Offering the battery as a service is shown to provide additional benefits for customers and companies, while society and the environment benefit above all from the battery technology itself. / Stationära batterisystem (BESS) kommer ha en viktig roll i transformationen från konventionella energisystem till framtidens decentraliserade energisystem med större andel förnyelsebara energikällor. Samtidigt är de höga investeringskostnaderna för batterier ett hinder för utvecklingen och transformationen av det svenska energisystemet. Denna studie undersöker ett batterisystems tekniska och ekonomiska prestanda i en case studie, där det är kopplat till en sopsug med dagliga effekttoppar som är högre en basbehovet. Syftet med batterisystemet är att kombinera det för effektkapning och för Svenska Kraftnäts balansmarknad. Denna studie undersöker även hur en tjänstebaserad affärsmodell, där ägarskapet av batteriet flyttas till en tredje part påverkar värdeerbjudande, värdeskapande och värdefångst. Resultatet från denna studie visar att faktiska kostnadsbesparingar blir realiserade genom effektkapning samt möjligheter till intäkter genom att erbjuda batteriet för stödtjänster. Vidare visar scenariomodellering på vissa operationella insikter, att det till en viss nivå av ersättning för stödtjänster är det mest lönsamt att utföra så hög effektkapning som möjligt. Att erbjuda batteriet som tjänst visas ge ytterligare fördelar för kunder och företag, medan samhället och miljön gynnas framför allt av själva batteritekniken.

In this thesis, a simulation model developed in MATLAB® in consideration of system losses based on lithium ion-battery is presented. The purpose of the simulation model is to investigate peak shaving potential in the residential distribution network. In other word to determine an optimal threshold limit and battery capacity depending on if the battery system is placed at the transformer or household level. In the report there were economic calculations executed showing that profitability of investing in a battery system depends on the threshold limit and battery capacity. / I denna rapport presenteras analys av toppeffektreducering med ett simuleringsprogram baserad på litium-jon batteri med hänsyn till systemförlust. Simuleringsmodellen är uppbyggd i MATLAB® där metoder som Coulomb counting implementerades. Syftet med simuleringsprogrammet är att definiera en optimal tröskelgräns samt batterikapacitet på transformator- och hushållsnivån. I rapporten utfördes ekonomiska beräkningar som tyder på att lönsamheten för investering av ett batterisystem beror på tröskelgräns och batterikapacitet.

Research has shown that three-phase balancing alone can improve the operation of secondary distribution networks and that the addition of energy storage to the phase balancing power electronics further helps to alleviate the negative effects of phase unbalances. However, less attention has been paid to the economic potential of said technologies and particularly for loadside implementation. It appears that the deployment of phase balancers, with or without energy storage, is indeed hampered by uncertainty related to its economic feasibility, despite both technologies being commercially available. This thesis therefore aims to assess and compare the economic feasibility of the two configurations for peak shaving purposes in the context of residential property loads in Sweden. The assessment was performed using a specially developed deterministic techno-economic model taking into consideration historical load data from three Swedish real estate, cost estimations for a range of alternatives used when sizing the systems, applicable tariffs and fees for electricity and its distribution as well as technical parameters such as the capacities and efficiencies of the involved components. A novel approach was taken by linearly extrapolating the three load profiles into three sets of 91 synthesized load profiles to enable a larger dataset for analysis. The net present values generated for each set were then graphed and analyzed per original real estate. The results showed that both configurations can be economically feasible, but only under certain conditions. A phase balancer alone was found to be feasible for real estate whose peak currents are distinctly unbalanced and exceed 50 A, with the best expected rate of return for profiles exceeding 63 A since they enable a tariff switch. The combined system was found to be even more contingent on the tariff switch and therefore only feasible for peaks above 63 A. A substantial difference in the initial investment further makes the single phase balancer the preferred choice, unless the discount rate is as low as 2 % or less. On this basis, potential investors need to assess the state of unbalance of their loads and perform their own calculation based their load profile, cost of capital and applicable tariffs. / Tidigare forskning har visat att fasbalansering enskilt kan förbättra driften hos lokala distributionsnät och att ett batterisystem i tillägg till fasbalanserarens kraftelektronik ytterligare kan minska de negativa effekterna av fasobalanser. Däremot har mindre uppmärksamhet riktats mot den ekonomiska genomförbarheten hos dessa teknologier och i synnerhet för implementation på lastens sida av elmätaren. Det tycks vara så att spridningen av fasbalanserare, med eller utan energilagring, hindras av osäkerheten kring dess ekonomiska potential trots att båda teknologierna är kommersiellt tillgängliga. Detta arbete ämnar därför att värdera och jämföra den ekonomiska nyttan hos de två konfigurationerna vid toppreducering av fastighetselen i svenska bostadsfastigheter. Värderingen utfördes med hjälp av en särskilt utvecklad deterministisk tekno-ekonomisk modell som beaktade historiska lastdata från tre svenska fastigheter, kostnadsuppskattningar för en uppsättning av konfigurationer som användes vid dimensionering av systemen, applicerbara tariffer och avgifter för elektricitet och dess distribution samt tekniska parametrar såsom kapaciteter och verkningsgrader för de olika komponenterna. Ett annorlunda tillvägagångssätt tillämpades vidare för att utöka datamängden genom linjär extrapolation av lastprofilerna, vilket resulterade i tre uppsättningar av 91 syntetiserade lastprofiler. Nettonuvärdet beräknades följaktligen för varje profil och investeringsalternativ för att sedan plottas och analyseras per ursprunglig fastighet. Resultaten visade att båda konfigurationerna kan uppvisa lönsamhet, men endast under särskilda förutsättningar. Den enskilda fasbalanseraren bedömdes som lönsam för fastigheter vars strömtoppar är påtagligt obalanserade och som överstiger 50 A, med största möjliga lönsamhet för profiler som överstiger 63 A då dessa möjliggör ett tariffbyte. Det kombinerade systemets lönsamhet bedömdes vara ännu mer beroende av tariffbytet och därför endast lönsamt för strömtoppar över 63 A. En betydligt större grundinvestering för det kombinerade systemet gör vidare att den enskilda fasbalanseraren i regel är att föredra, såvida inte kalkylräntan är så låg som 2 % eller mindre. Baserat på detta uppmanas potentiella investerare att undersöka balanstillståndet hos deras laster och att utföra en egen kalkyl baserat på deras specifika last, kapitalkostnad och nätföretag.

With the increase of electric vehicles (EVs) on the roads the availability of charging infrastructure becomes more important. Today it is relatively straightforward to install fast chargers in areas with strong power grid connections, such as in urban areas. However, in areas with less available electrical power, the grid is considered to be a weak grid, typically in remote areas, which limits charging speeds. Local peak shaving can be implemented with battery energy storage systems (BESS) to support faster charging at these locations by increasing available power when needed. As the majority of the power is supplied by the BESS there are noticeable conversion losses when converting from the BESS DC voltage to AC in the grid and then back to DC through the fast charger. This thesis investigates DC/DC converters to charge EVs directly from a BESS DC bus by regulating the voltage to the level of the EV, while also supporting safe simultaneous charging capability. It was done through understanding relevant standards’ requirements, converter review, as well as design and simulation of the interesting topologies. The converters selected to simulate were the Buck-Boost and the Dual-Active Bridge (DAB). After analysing the efficiency result in combination with industry requirements, it was concluded that one DAB per output is the preferred option in most use cases. This would potentially also reduce the material usage and carbon footprint of this type of infrastructure compared to the current solution. Furthermore, some suggestions were made for improving the design of DAB converter before making a prototype for real testing. / Denna avhandling har undersökt hur en snabbladdares effektelektronik för en mobil batterienergilagringssystem kan designas för att ladda två elbilar samtidigt. För att göra detta har systemkrav från relevanta standarder sammanställts och olika snabbladdares kapacitet undersökts. Därefter har olika DC/DC-omvandlare identifierats i ändamål att välja ut de mest lämpade för att uppfylla funktionen. De utvalda omvandlarna designades iterativt och simulerades med i verktyget PLECS för att kunna jämföra hur vardera omvandlare presterade under olika scenarior och med olika transistorer. Resultat och slutsatser från detta arbete är att galvanisk isolering krävs mellan de två elbilarna samt att två Dual-Active Bridge (DAB) omvandlare är den mest lämpade utifrån effektivitet, kapacitet och materialanvänding. Det finns även flera områden att fortsätta arbetet på för att förbättra designen och testa med en prototyp.