heating demand as frequency controlled regulation power

12
www.ijep.org International Journal of Energy and Power (IJEP) Volume 3 Issue 2, May 2014 22 Heating Demand as Frequency Controlled Regulation Power Claus Nygaard Rasmussen *1 , Christian Brandt Rasmussen 2 , Salih Palivan 3 , Robin Bogø 4 Department of Electrical Engineering, Technical University of Denmark Elektrovej, bld. 325. DK2800 Kgs. Lyngby, Denmark *1 [email protected]; 2 [email protected]; 3 [email protected]; 4 [email protected] Received 6 January 2014; Accepted 16 January 2014; Published 19 May 2014 © 2014 Science and Engineering Publishing Company Abstract This paper examines the possibility of using heating demand as a source of Demand as Frequency controlled Reserve (DFR) in the electric power system, with focus on heat pumps in conjunction with thermal storage. The potential regulation capacity is estimated and control strategies are discussed. The behaviour of a large number of aggregated on/off regulated heating units with thermal storage is investigated and it is found that their combined response can approach that of a linear proportional control if the operational timescale (given as storage capacity divided by maximum heat consumption) is sufficiently large. The laboratory implementation and testing of DFR with various control algorithms is presented and possible scenarios for practical implementation are discussed. The power system impact of DFR with linear proportional control is assessed via simulations in MATLAB/Simulink and it is found that DFR can have a positive impact if the regulation constant and system delay does not exceed certain limits; otherwise there is a risk of selfimposed oscillations. It is found that with the right form of control, DFR can assist in ensuring stability in systems with high penetration of renewable energy sources, by providing a large fraction of the required regulation capacity. Keywords Renewable Energy; System Integration; Thermal Storage; Heat Pumps; Frequency Control Introduction In Denmark there are plans for increasing the amount of wind power in the electric power system to 50% within the coming decade, and other countries have similar plans for large scale introduction of renewable energy. The stochastic nature of windand solar power poses a problem because the fast fluctuating power from those sources must be continuously matched to the load demand in order to maintain system stability. Conventional dispatchable generation units are often not capable of regulating their power outputs fast enough and the amount of dispatchable generation capacity will decrease as the share of stochastic renewable sources increase. The solution to this problem will most likely be a combination of several measures. Increased transmission capacity can reduce the fluctuations through aggregation and energy storage units or generation units with high ramp rates can step in to close gabs between load and demand. Another interesting approach is to introduce demand response by adjusting the load according to the available generation. Demand response can turn load into an additional regulation reserve and thereby potentially help solving the stability problem. Demand response can be obtained either by direct or indirect control of loads. Indirect control can be based on a price signal that loads adjust to or a locally measurable parameter such as power flow, voltage or frequency. The idea of using load demand as frequency controlled regulation reserve is attractive because the regulation signal is available everywhere and frequency controlled regulation is already an essential part of the power system. The concept of Demand as Frequency controlled Reserve (DFR) has been studied in relation to partially flexible electric demand such as household appliances, and in particular refrigerators and freezers(Xu, Østergaard and Togeby 2011),(Nyeng, Miertz and Østergaard 2010)but such loads suffer from a lack of freedom to perform realtime adjustments of power consumption due to small buffering capacity and userimposed restrictions.

Upload: shirley-wang

Post on 02-Apr-2016

216 views

Category:

Documents


1 download

DESCRIPTION

http://www.ijep.org/paperInfo.aspx?ID=14344 This paper examines the possibility of using heating demand as a source of Demand as Frequency controlled Reserve (DFR) in the electric power system, with focus on heat pumps in conjunction with thermal storage. The potential regulation capacity is estimated and control strategies are discussed. The behaviour of a large number of aggregated on/off regulated heating units with thermal storage is investigated and it is found that their combined response can approach that of a linear proportional control if the operational timescale (given as storage capacity divided by maximum heat consumption) is sufficiently large. The laboratory implementation and testing of DFR with various control algorithms is presented and possible scenarios for practical implementation are discussed. The power system impact of DFR with linear proportional control is assessed via simulations in MATLAB/Simulink and it is found that DFR can have a positive impact if

TRANSCRIPT

Page 1: Heating Demand as Frequency Controlled Regulation Power

www.ijep.org                                                                 International Journal of Energy and Power (IJEP) Volume 3 Issue 2, May 2014 

22 

Heating Demand as Frequency Controlled 

Regulation Power Claus Nygaard Rasmussen*1, Christian Brandt Rasmussen2, Salih Palivan3, Robin Bogø4 

Department of Electrical Engineering, Technical University of Denmark 

Elektrovej, bld. 325. DK‐2800 Kgs. Lyngby, Denmark 

*[email protected][email protected][email protected][email protected] 

 

Received 6 January 2014; Accepted 16 January 2014; Published 19 May 2014 

© 2014 Science and Engineering Publishing Company  

 

 Abstract 

This paper examines the possibility of using heating demand 

as a source of Demand as Frequency controlled Reserve (DFR) 

in  the  electric power  system, with  focus  on  heat pumps  in 

conjunction with  thermal  storage.  The  potential  regulation 

capacity  is  estimated  and  control  strategies  are  discussed. 

The  behaviour  of  a  large  number  of  aggregated  on/off 

regulated heating units with  thermal storage  is  investigated 

and  it  is  found  that  their  combined  response  can  approach 

that  of  a  linear  proportional  control  if  the  operational 

timescale  (given  as  storage  capacity  divided  by maximum 

heat  consumption)  is  sufficiently  large.  The  laboratory 

implementation  and  testing  of  DFR  with  various  control 

algorithms  is presented  and possible  scenarios  for practical 

implementation are discussed. 

The  power  system  impact  of DFR with  linear  proportional 

control is assessed via simulations in MATLAB/Simulink and 

it  is  found  that  DFR  can  have  a  positive  impact  if  the 

regulation constant and system delay does not exceed certain 

limits; otherwise there is a risk of self‐imposed oscillations. It 

is found that with the right form of control, DFR can assist in 

ensuring  stability  in  systems  with  high  penetration  of 

renewable  energy  sources,  by  providing  a  large  fraction  of 

the required regulation capacity.  

Keywords 

Renewable  Energy;  System  Integration;  Thermal  Storage;  Heat 

Pumps; Frequency Control 

Introduction

In Denmark there are plans for  increasing the amount 

of wind  power  in  the  electric  power  system  to  50% 

within  the  coming  decade,  and  other  countries  have 

similar plans for  large scale  introduction of renewable 

energy. The stochastic nature of wind‐ and solar power 

poses  a  problem  because  the  fast  fluctuating  power 

from  those  sources must be  continuously matched  to 

the load demand in order to maintain system stability. 

Conventional  dispatchable  generation  units  are  often 

not  capable  of  regulating  their  power  outputs  fast 

enough  and  the  amount  of  dispatchable  generation 

capacity  will  decrease  as  the  share  of  stochastic 

renewable sources increase.  

The  solution  to  this  problem  will  most  likely  be  a 

combination  of  several  measures.  Increased 

transmission  capacity  can  reduce  the  fluctuations 

through  aggregation  and  energy  storage  units  or 

generation  units with  high  ramp  rates  can  step  in  to 

close gabs between load and demand. 

Another  interesting  approach  is  to  introduce demand 

response  by  adjusting  the  load  according  to  the 

available generation. Demand  response  can  turn  load 

into  an  additional  regulation  reserve  and  thereby 

potentially help solving the stability problem. 

Demand  response  can be obtained  either by direct or 

indirect control of  loads. Indirect control can be based 

on  a  price  signal  that  loads  adjust  to  or  a  locally 

measurable parameter such as power  flow, voltage or 

frequency.  The  idea  of  using  load  demand  as 

frequency  controlled  regulation  reserve  is  attractive 

because  the  regulation  signal  is  available  everywhere 

and  frequency  controlled  regulation  is  already  an 

essential  part  of  the  power  system.  The  concept  of 

Demand as Frequency controlled Reserve  (DFR) has been 

studied in relation to partially flexible electric demand 

such  as  household  appliances,  and  in  particular 

refrigerators and  freezers(Xu, Østergaard and Togeby 

2011),(Nyeng,  Miertz  and  Østergaard  2010)but  such 

loads  suffer  from  a  lack  of  freedom  to  perform  real‐

time adjustments of power consumption due  to small 

buffering capacity and user‐imposed restrictions. 

Page 2: Heating Demand as Frequency Controlled Regulation Power

International Journal of Energy and Power (IJEP) Volume 3 Issue 2, May 2014                                                                www.ijep.org 

23 

In  this  paper  we  evaluate  frequency  controlled 

demand  as  a  tool  to  help  solve  the  power  system 

stability problem arising due  to  increased penetration 

of  stochastic  renewable  power  sources.  The  Danish 

power system is used as an example with focus on the 

use  of  flexibility  related  to heating with heat pumps. 

Heating  as DFR  is  of  particular  interest  in  countries 

with  a  large  heating  demand,  and  the  flexibility  of 

thermal  loads  is usually  large due  to  the presence of 

significant  thermal  storage  capacity  in  buildings, 

heating systems and storage  tanks. The ability of heat 

pumps  to  move  highly  needed  flexibility  from  the 

heating  system  into  the  power  system  makes  them 

very interesting and DFR is one of the ways to facilitate 

this link. 

The  work  presented  here  is  related  to  the  Strategic 

Platform  for  Innovation  and  Research  in  Intelligent 

power  (iPower)  which  is  a  national  Danish  research 

project funded by the council for Strategic research and 

the council for Technology and Innovation. 

Heat Pumps as Regulation Power

The annual electric power consumption in Denmark is 

36 TWh and  the heating demand  is approximately 55 

TWh(Dyrelund  2009)corresponding  to  an  average 

electric load of 4.1 GW and an average thermal load of 

6.3  GW.  The  heating  demand  is  therefore 

approximately 1.5times the electric load – on average. 

A  large  part  of  the  heating  demand  in  Denmark  is 

covered by district heating and this will likely continue 

to be  so  in  the  coming decades. But  a  fraction of  the 

district heating could also be covered by heat pumps in 

order  to  facilitate  the  use  of  cheap  excess  electricity 

from wind power production. According  to(Dyrelund 

2009) the amount of heating covered by domestic heat 

pumps  will  increase  to  7  TWh  in  2050,  while  the 

amount of district heating supplied by heat pumps will 

increase to approximately 4 TWh. A total of 11 TWh or 

20% of  the heat demand will  thus be covered by heat 

pumps and  the average heat supplied by heat pumps 

will therefore be 1.26 GW. The ability of heat pumps to 

act  as  a  link  between  the  heating  system  and  the 

electric power system might encourage policy makers 

to promote the use of heat pumps and this estimate of 

future  heat  pump  penetration  could  therefore  be 

regarded as being conservative.  

The  ratio  between  moved  heat  and  electric  power 

consumption  of  a  heat  pump  is  known  as  its 

Coefficient of Performance  (COP). The COP decreases 

with  increasing  temperature  difference.  For  domestic 

heat pumps working between an ambient temperature 

of Ta = 5⁰C and a hot water tank with Th = 50⁰C the COP 

value is typically in the range of 3 to 4. Table 1 shows 

values leading to a conservative estimate of the future 

amount of heat‐based DFR. 

TABLE 1 ESTIMATED FUTURE AMOUNT OF DFR BASED ON HEAT PUMPS 

Parameter Average 

value 

Total heat demand [GW]  6.3 

Share of demand covered by heat pumps [%]  20 

COP of heat pumps  3.5 

Electric consumption by heat pumps [MW]  360 

Electric consumption by heat pumps [p.u.]  0.09 

The  estimated  average  electricity  consumed  by  heat 

pumps amounts  to 360 MW. This could be compared 

to  the  consumption  by  refrigerators  and  freezers, 

which has been estimated to approximately 90 MW in 

the  eastern  part  of  Denmark  (Xu,  Østergaard  and 

Togeby  2011)  ‐  corresponding  to  approximately  240 

MW in Denmark as a whole.   

An operational timescale(τs) for an energy storage unit 

or energy buffer can be defined as its maximum energy 

storage capacity (Emax) divided by its maximum power 

consumption (Pmax). 

         eq.1 

Refrigerators  and  freezers  have much  smaller  energy 

storage  capacity  than  typical  domestic  or  centralised 

heating  facilities  and  therefore  shorter  operational 

timescales. Parameter values from (Nyeng, Miertz and 

Østergaard  2010)have  been  used  to  estimate  the 

timescale of are frigerator to approximately 20 minutes. 

The  storage  timescale  related  to  heating  with  heat 

pumps  is determined by  the  thermal  storage  capacity 

of  the house  itself and/or  the capacity of a designated 

storage  unit  (typically  a  hot‐water  tank)  placed  in 

conjunction with  the heat pump. The storage capacity 

of  an  average  Danish  house  was  found  to  be 

approximately  13.3  kWh/K  (Bogø  2013).  With  an 

allowed  temperature  span  of  2⁰C  and  a  nominal 

thermal load of 6.3kW this leads to a storage timescale 

of 4.2 hours.  

District heating facilities may have much larger storage 

capacities  and  correspondingly  longer  storage 

timescales.  As  an  example,  the  heating  facility  at 

Marstal  in Denmark is equipped with a 1.5 MWel heat 

pump and a storage tank of 2100 m3 (Fjernvarme 2014). 

The  storage  timescale of  this  facility  can be estimated 

to ~14 hours by assuming a heat pump COP of 3.5 and 

a temperature span of 30⁰C. 

Page 3: Heating Demand as Frequency Controlled Regulation Power

www.ijep.org                                                                 International Journal of Energy and Power (IJEP) Volume 3 Issue 2, May 2014 

24 

Seasonal Variations 

Heat  consumption  is  subject  to  very  large  seasonal 

variations  which  strongly  affect  the  ability  of  heat 

pumps  to  act  as DFR.  The  amount  of  electricity  that 

heat  pumps  consume  is  influenced  by  the  inside‐to‐

outside  temperature  difference,  both  directly  and  via 

the  heat  pump  COP.  Figure  1  shows  the  relative 

monthly consumption of electricity by heat pumps. 

 

FIG. 1SEASONAL VARIATIONS IN ELECTRICITY CONSUMED BY 

HEAT PUMPS IN A 2050 SCENARIO, IN UNITS OF 

AVERAGE(360MW) CONSUMPTION(BOGØ 2013) 

Heating with  heat  pumps  cannot  be  seen  as  a  stable 

source ofDFR on a seasonal scale. During the summer 

period  some heat pumps will  continue  to  supply hot 

water or provide air‐conditioning while others remain 

completely  turned  off.  The  active  heat  pumps  will 

maintain  power  flexibility  but  the  average  electric 

power  consumption  dictates  the  overall  amount  of 

available  DFR.During  summer,  DFR  based  on  heat 

pumps  will  therefore  mainly  have  to  be  used  as 

primary regulation on short timescales. 

The Need for Frequency Controlled Regulation 

It  is relevant to make a distinction between  two  types 

of service that DFR potentially could supply. 

Type  1  is  Frequency  controlled  Disturbance  Reserve 

(FDR), where demand acts as stand‐by reserve in case 

of  disturbances  that  displaces  the  grid  frequency  by 

more  than  ±0.1  Hz.  The  timescale  of  this  type  of 

operation would be similar  to  that of primary  (and  to 

some extend secondary) regulation power, i.e. up to 15 

minutes  or  slightly  longer.  The  secondary  generation 

reserve must according to rules respond fully within 15 

minutes  (Bogø  2013)  and  DFR  will  therefore  not  be 

required  to  respond  beyond  this  timescale.  But  the 

response will typically have to be fast (<1 second) and 

with high power. 

Type  2  is  Frequency  controlled  Normal  operation 

Reserve  (FNR),  where  demand  supplies  frequency 

controlled  regulation  power  while  the  frequency 

remains within  50  ±0.1 Hz.  This  operation would  be 

continuous  and  therefore  supplement  primary, 

secondary  as well  as  tertiary  regulation  power.  FNR 

requires  a  relatively  long  storage  timescale  of 

operation  (large  energy  storage  capacity)  but  less 

power and not necessarily a fast response. This type of 

DFR  can  reduce  the  need  for  continuous  regulation 

from generators but the required amount of frequency 

controlled regulation is usually rather small(Hirth and 

Ziegenhagen  2013).  The  issue  of  how  response  time 

and operational timescale influence the effect that DFR 

has on the power system will be discussed in the next 

section. 

Presently,  the average amount of FNR  in Denmark  is 

23MW  (≈0.006  p.u.)(Bogø  2013),  and  heat  pumps 

should be able  to  supply  this amount during most of 

the  time. An  increasing amount of wind power  in  the 

system will result in larger power fluctuations on short 

timescales.  The  present  standard  deviations  of  ramp 

rates  in  the  Danish  power  system  are3.5  MW  pr. 

minute for load power and 2 MW pr. minute for wind 

power(Bogø  2013),  resulting  in  a  total  standard 

deviation of ramp  rates  in  regulation power of 4 MW 

pr. minute. 

An  increase  in wind  penetration  from  21 %  to  50 % 

would  cause  the  standard deviation  of  ramp  rates  in 

regulation power  to  increase  to 5.7 MW/min.  It seems 

reasonable  to expect a similar  increase  in  the need  for 

frequency  controlled normal operation  reserve  (FNR), 

that  is, up  to approximately 33 MW. But  this  is also a 

quite modest amount  that  could easily be  covered by 

the projected future amount of DFR.  

Fast  fluctuations  on  a  timescale  from  seconds  up  to 

minutes are handled by  frequency controlled primary 

and  secondary  regulation, while  variations  on  longer 

timescales are handled by manual regulations reserves 

(tertiary regulation). Based on data from (Energinet.dk 

2013)  the  average  manual  regulation  reserve  in 

Denmark can be estimated to approximately 200 MW. 

Regulation is therefore primarily manual, taking place 

on  a  longer  (>15  minute)  timescale  with  the  aim  of 

closing the gap between day‐ahead planed production 

and the actual need for production.      

Most  types of DFR could possibly perform both  types 

of  frequency  control  (FDR  and  FNR). However,  if  a 

large amount of DFR  is active  there  is a  risk of over‐

activation,  depending  on  the  sensitivity  and  reaction 

time of  the DFR controls. This  issue will be discussed 

in the next section. 

Page 4: Heating Demand as Frequency Controlled Regulation Power

International Journal of Energy and Power (IJEP) Volume 3 Issue 2, May 2014                                                                www.ijep.org 

25 

TABLE 2 EXAMPLE OF LINEAR DFR CONTROL BASED ON FREQUENCY AND TEMPERATURE 

f ↓  T →  T < Tmin  Tmin < T < T0 T0 < T < Tmax  Tmax < T

f < fmin P0 

 , ·

Pmin 

fmin < f < f0  ·  

f0 < f < fmax  ·  , ·  

P0 

 fmax < f  Pmax 

 

Control Options

Frequency  control  can be performed  in  several ways, 

depending on the type of load and the desired effect on 

the power system. The focus here  is on thermal loads, 

which may  be  divided  into  resistive  loads  and  heat 

pumps. 

One way of controlling heat  loads  is  indirectly via the 

thermostat  set‐points as proposed by  (Xu, Østergaard 

and  Togeby  2011),(Nyeng,  Miertz  and  Østergaard 

2010)and  others.  In  this  approach  the  thermostat  set‐

points (Tmin and Tmax) become functions of frequency as 

they  are  shifted  up‐wards  when  the  frequency 

increases  and  vice  versa.  While  being  simple  and 

relatively easy to  implement, this approach will result 

in  a  partly  delayed  response  that  might  have 

unwanted effects. Other ways of introducing DFR in a 

more direct manner will be considered and discussed 

in this section. 

Linear Proportional Control 

Resistive  loads  could  be  subjected  to  linear 

proportional control similar  to  the droop control used 

by  generators.  But  there  is  an  important  difference 

between  a  generator  and  a  heat‐load  DFR.  The 

generator  is  capable  of  delivering  continuous 

regulation power while the heat‐load is limited by the 

energy  capacity  of  its  thermal  storage.  The  primary 

objective of a heating system is to keep the temperature 

within predefined  limits  and  this puts boundaries on 

its ability to respond to frequency changes. 

Operation  schemes  that  respond  to  both  temperature 

and frequency has been suggested by (Bogø 2013) and 

(Pehlivan  2013).  In  the  approach  suggested  in  (Bogø 

2013)  a  set  of  temperature  boundaries  (Tmin  and Tmax) 

and frequency limits (fmin and fmax) defines the control. 

The  power  (P0)  which  is  required  to  maintain  the 

temperature  of  the  household  or  water  tank  at  a 

constant  level  is  assumed  to  remain  approximately 

constant  on  the  timescale  of  DFR  operation.  The 

electric  power  consumption  (P)  varies  between  Pmin 

and Pmax as defined in table 2. Figure 2 shows P(T,f) for 

a DFR unit with selected parameters.   

This control scheme prevents abrupt changes in power 

consumption  as  the  temperature  or  frequency 

approaches the boundaries, and the combined effect of 

many  DFR  units  will  be  to  counteract  frequency 

deviations from f0 (50 Hz) and stabilise the system.  

The  size  of  the  combined  DFR  response  from many 

units will be determined by the control parameters and 

obviously  the  number  of  active  units.  The  control 

response is semi‐proportional and the control ‘constant’ 

(Kp) depends on the number (N) of active units and the 

current status of each unit. 

, · , ∑ ,     eq. 2 

Fully proportional control cannot be obtained because 

of non‐linear behaviour of units  that are either on  the 

temperature‐ or frequency boundaries or outside these 

boundaries.   

 

FIG. 2 EXAMPLE OF POWER AS FUNCTION OF TEMPERATURE 

AND FREQUENCY FOR A DFR UNIT WITH LINEAR CONTROL 

(BOGØ 2013) 

The  response  from  linear DFR  seems  straightforward 

and  easy  to  predict.  It  will  act  in  parallel  with 

frequency  controlled  regulation  from  generators  and 

reduce  the  need  for  their  activation.  But  there  is  a 

problematic  issue  related  to  the  possibility  of  over‐

Page 5: Heating Demand as Frequency Controlled Regulation Power

www.ijep.org                                                                 International Journal of Energy and Power (IJEP) Volume 3 Issue 2, May 2014 

26 

reaction,  an  issue which  relates  to  reaction  time  and 

sampling rate of the DFR control. 

Power System Frequency Variations 

In order to evaluate the influence of reaction time it is 

relevant  to  look at  the  timescales on which  the power 

system  frequency  varies.  Figure  3  shows  a  plot  of 

frequency data  from  the Danish power system during 

a  10  hour  period  (top)  and  a  zoom  of  10  minutes 

(bottom).  The  plot  shows  variations  on  two  different 

timescales; a short timescale with a period of ≈1 minute 

and a long timescale with a period of 1‐2 hours.   

The  standard deviation  of  the measured  frequency  is 

42  mHz  and  the  amplitude  of  the  fast  variations  is 

approximately  40  mHz.  From  the  relation  between 

frequency  and  rotational  energy  in  the  system  it  is 

possible  to  estimate  the  power  variations  that  these 

fluctuations correspond to. 

 

FIG.3 MEASURED FREQUENCY VARIATIONS OVER TIME SPANS 

OF 10 HOURS (TOP) AND 10 MINUTES (BOTTOM) 

The power imbalance can be expressed as: 

∆·

·   eq.3 

With H ≈ 5 seconds being the inertial time constant of 

the system and f0 = 50 Hz. A frequency change rate of 

40  mHz  in  30  seconds  corresponds  to  small  power 

imbalances of ∆P ≈ 2.7∙10‐4 p.u. or 1.1 MW.  

DFR  can  enforce  or  generate  power‐  and  frequency 

fluctuations if it reacts too slowly or if the proportional 

constant is too high. A short reaction time for DFR (e.g. 

a  second  or  less)  will  tend  to  reduce  the  problem 

because  the  frequency will  have  little  time  to  change 

before  DFR  reacts  to  it.  A  fast  response  could  be 

implemented for linear resistive loads but the response 

time will always be larger than the sampling time and 

a sampling rate of one second or less therefore appears 

to be necessary. 

A  more  sophisticated  PID  control  could  also  be 

employed.  Self‐induced  fluctuations  could  be 

dampened  by  a  differential  term  which  will  reduce 

power change  rates. But  this approach does not seem 

attractive  due  to  high  complexity  and  lack  of 

knowledge  about  the  system.  In  praxis  it will  not  be 

possible  to  set  the  regulation  constants  to  optimal 

values. 

Longer  reaction  time  obtained  with  an  integral 

regulator could to some extend be useful, but this will 

prevent  a  fast  response  to  fast disturbances  and FDR 

operation  would  not  be  possible.  In  Figure  3  a  5‐

minute  moving  average  of  the  frequency  has  been 

included. Control based on  such an average  could be 

used  for units with delayed  response  to prevent  self‐

induced  frequency  oscillations.  The  unit  would 

respond  to  general  trends  rather  than  fast  variations 

and this would likely be a better approach to control of 

DFR  as  normal  reserve.  But  abrupt  changes  in 

frequency due to grid disturbances would not result in 

an  immediate  response  from  such  a  unit  and  it  is 

especially  the  ability  of  DFR  to  respond  faster  than 

most generators that makes it an interesting addition to 

a power system with a large fraction of fast fluctuating 

power sources. 

A possible  compromise  that would  allow DFR  to  act 

both  as  FNR  and  FDR  would  be  to  react  slowly  to 

small deviations  from  f0 and  faster  to  large deviations 

from  f0.  In  this way FNR could be performed with an 

integral  regulator  or  similar,  and  DFR  would  be 

activated  in  case of  larger disturbances. One  example 

of such a regulation could be: 

·1

, | | ∆  

· , | | ∆   eq. 4 

Where K1 and K2 are  regulation constants and  τ  is an 

appropriate  time  constant  of  e.g.  5  minutes.  Fast 

regulation  is activated  for  frequency deviations above 

∆fmax which could be set to 100mHz. 

On/off Control 

Heat pumps can typically not be regulated with linear 

control  only.  Some  heat  pumps  are  entirely  on/off 

regulated  while  others  can  be  linearly  controlled 

within a certain power range. With such constrains the 

previously described  linear  control  scheme  cannot  be 

utilised.  

Page 6: Heating Demand as Frequency Controlled Regulation Power

International Journal of Energy and Power (IJEP) Volume 3 Issue 2, May 2014                                                                www.ijep.org 

27 

On/off  regulation has been described  in e.g.(Biegel, et 

al.  2013).  The most  simple  on/off  regulation  turn  the 

appliance on when  the  frequency  is above 50 Hz and 

off when  the  frequency  is below 50 Hz. With  the  fast 

frequency variations  show  in  figure  3  an  aggregation 

of loads with such regulators would constantly switch 

between on and off and  thereby generate  large power 

fluctuations  which  would  destabilise  the  system. 

Simulations  have  shown  that  when  the  amount  of 

active DFR exceeds a critical level, synchronised on/off 

regulated  loads  will  tend  to  increase  frequency 

variations rather than reduce them. 

One way  to  improve  the  control  properties  of  on/off 

regulated units  is  to  introduce  a  frequency hysteresis 

equivalent to the temperature hysteresis normally used 

for  on/off  regulation  and  thereby  prevent  fast 

fluctuations  around  50  Hz.  Frequency‐  and 

temperature  control  can  be  combined  to  obtain  a 

hysteresis  area  as  shown  in  figure  4.  Units  with 

temperature  and  frequency  corresponding  to  the  red 

area are off and units  in  the green area are on.  In  the 

‘maintain state’ area units are in the state in which they 

entered  that  area.  This  means  that  only  units  with 

storage  temperatures  within  a  certain  temperature 

range will react instantly to a change in frequency and 

the  fraction  of  units  that  react  instantly  will  be 

proportional to the size of the frequency change. In this 

way  the  aggregated  response  from  many  units 

becomes  less abrupt and fast fluctuations between the 

two states are prevented.  

Assuming that this type of control is implemented on a 

large  number  of  heating  units  with  more  or  less 

randomly  distributed  power  levels,  thermal  storage 

capacities, temperature limits and heat loads, what will 

then be their aggregated effect on the power system? If 

the  temperatures  of  all  units  have  been  fully 

randomised,  then  a  linear  relation will  exist  between 

frequency and the fraction of units in the on‐state. This 

means  that  the  aggregated  response  from  a  large 

number of randomly distributed units will be linear. 

But a fully random distribution of temperatures cannot 

be expected. There is a risk of synchronisation because 

the  units  will  be  exposed  to  similar  variations  in 

ambient  temperature and  to  the exact same  frequency 

variations. A fraction of units will also be at, or outside, 

the temperature limits. This further reduces the extent 

to  which  unit  temperatures  will  be  randomly 

distributed and thereby producing a linear aggregated 

response.  

 

FIG.4 AN EXAMPLE OF DOUBLE HYSTERESIS ON/OFF CONTROL 

BASED ON FREQUENCY AND TEMPERATURE 

Probabilistic Control  

Simulations  of  the  aggregated  response  from  many 

on/off  regulated  units  have  been  made  in  order  to 

determine  to  which  extend  they  can  be  assumed  to 

produce a  linear  response. Such  simulations  can only 

give an  indication of the combined behaviour because 

the input parameters can be varied over a wide range.  

The  simulation  results  show  that  the  timescale  of 

operation has a strong influence on the linearity of the 

aggregated  response  from  on/off  controlled  units.  A 

short  timescale  allows  for  little  freedom  of  operation 

with  unit  states  that  are  determined  by  temperature 

rather than frequency and this leads to a small amount 

of  correlation  between  frequency  and DFR  power. A 

long  timescale on  the other hand, will  result  in more 

operational freedom and improved linearity. 

A  total of 100 heat pumps with  thermal  storage were 

modelled, each with a nominal electric power of 2 kW 

and  a  COP  of  3.5.In  the  reference  case  the  average 

thermal  storage  capacity  was  equal  to  that  of  an 

average  Danish  household  (Mieritz  2010)  and  the 

temperature span of operation was between 18⁰C and 

22⁰C.  This  results  in  a  timescale  of  operation  of  4.2 

hours. 

In  order  to  create  a  semi‐random distribution  of unit 

states  the  input  parameters  where  randomly 

distributed  within  certain  intervals  and  the  initial 

temperatures  were  randomly  distributed  within  the 

allowed temperature span. The simulations ran over 18 

hours with a time resolution of approximately 0.3s and 

the  results  from  two  simulation  cases  are  shown  in 

figure  5as  the  relation  between  frequency  and 

Page 7: Heating Demand as Frequency Controlled Regulation Power

www.ijep.org                                                                 International Journal of Energy and Power (IJEP) Volume 3 Issue 2, May 2014 

28 

aggregated power consumption. 

 

FIG.5AGGREGATED RESPONSE FROM 100 ON/OFF REGULATED 

UNITS WITH AVERAGE (TOP) AND LONG (BOTTOM) 

TIMESCALE OF OPERATION 

The  top graph  shows  the  reference  case  in which  the 

timescale  of  operation  is  equal  to  that  of  an  average 

household  (4.2  hours).  There  is  a modest  correlation 

between frequency and power, and a  linear fit gives a 

coefficient of determination (R2) equal to 0.63.  

In  the bottom graph  the  timescale has been  increased 

to  42  hours  and  heat  pumps  are  therefore  free  to 

operate in relation to frequency. This result  in a much 

more linear relation between frequency and power and 

a  linear  fit  gives  a  coefficient  of  determination  (R2) 

equal to 0.93.  

A long operational timescale can be obtained either by 

increasing  the  thermal  storage  capacity, by  increasing 

the  allowed  temperature  span  of  operation  or,  by 

reducing  the  heat  consumption  and  thereby  the 

required  nominal  power  of  the  heat  pump.  Future 

buildings will most likely have long thermal timescales 

due  to  improved  thermal  insulation  and  build‐in 

thermal  storage  such  as  phase‐change  materials.  An 

example  of  an  existing modern  household with  very 

long  thermal  timescale  is  the  Energy  Flex  house 

operated  by  the  Danish  Technological  Institute(Ravn 

og Grimmig 2011).   

Another  issue  that needs  to be  considered  is delayed 

response  from  individual  units.  The  ‘maintain  state’ 

area  in  figure  4 will prevent units  from  fast  toggling 

between on and off, but in order to protect heat pumps 

it might  in  any  case  be  necessary  to  add  a  constrain 

saying that it must remain in a given state for a certain 

amount  of  time.  This  limits  the  change‐rate  of  the 

combined  response  but  it  also  tends  to  prevent  self‐

induced oscillations in case of over‐reaction. 

Voltage Controlled Reserve 

Flexible  loads  such  as  heat  pumps  could  also  act  as 

Demand as Voltage controlled Reserve (DVR). This type of 

control  can  be  seen  as  a  counterpart  to  DFR  but  its 

effect on the power system is different. Voltage can be 

viewed  is  a  local  parameter  while  frequency  is  a 

system‐level  parameter  and  this  has  several 

implications on  the way  that DVR affects  the  system. 

Loads  cause  voltage  drops  in  the  local  system  and 

proportional DVR  control will  be  a  stabilising  factor. 

But a few relatively large loads may have a large local 

effect, especially if they are placed in areas with ‘weak’ 

connections.  This  increases  the  risk  of  over‐reaction 

and  self‐induced  oscillations  but  it  also  increases  the 

possibilities for active use of loads in relation to system 

stability etc.  

The simplest way of implementing DVR is with linear 

proportional control as stated in equation 5.     

·      eq.5 

Where V0 is a reference voltage (e.g. 230 V) and K is a 

regulation  constant  which  must  depend  on  the  size 

and  placement  of  the  actual  DVR‐controlled  unit. 

Voltage  is  also  influenced  by  the  reactive  power 

consumption  and  this  makes  voltage  control  more 

complicated.  

A detailed evaluation of  the effects of voltage  control 

must  be  done  for  a  specific  network  and  such  an 

evaluation  is beyond the scope of this work. But DVR 

is a very interesting control option for e.g. low voltage 

grids with large penetration of photovoltaic generation 

and/or electric vehicles.  

Experimental Testing

Testing  of  the  DFR  (and  DVR)  concepts  have  been 

made with the set‐up sketched in figure 6. The central 

component  in  the  testing  is  the  DFR  smart‐box(P.  J. 

Douglass, R. Garcia‐Valle, et al. 2012),  (P.  J. Douglass, 

et al. 2011)which has been developed at  the Technical 

University of Denmark, Centre  for Electric Power and 

Energy (CEE). The DFR smart‐box records voltage and 

frequency and usually controls a relay or a thermostat. 

In  this  set‐up  the  DFR  box  controls  a  Pulse Width 

Modulation  (PWM)  circuit  which  can  operate  either 

with  a  high  switching  frequency  to  provide  linear 

regulation  or  as  a  relay  to  provide  on/off  regulation. 

The PWM circuit, which  is shown  in figure 7, uses an 

optic coupling  to provide galvanic  insulation between 

the DFR box and the AC line‐voltage.    

Page 8: Heating Demand as Frequency Controlled Regulation Power

International Journal of Energy and Power (IJEP) Volume 3 Issue 2, May 2014                                                                www.ijep.org 

29 

The thermal system consists of an electric heater and a 

water‐tank  with  a  circulation  pump  to  ensure  a 

uniform  temperature  distribution.  The  water 

temperature measurement is returned to the computer 

via  the  DFR‐box  and  the  computer  also  receives 

voltage‐ and frequency data.   

A  display‐  and  control  user  interface  has  been 

implemented  in  MATLAB(Klingest  2012)  and  this 

interface has been further developed to allow the user 

to  test various  control algorithms  (Pehlivan 2013).The 

user  controls  the  system  via  the  computer  but  it  is 

possible  to  store  the  control  software  as  embedded 

MATLAB  on  a Digital  Signal  Processor  (DSP) which 

can then be included in the DFR smart‐box. In this way 

it  is possible to  implement a chosen control algorithm 

via the DFR smart‐box. 

 

FIG. 6 SKETCH OF EXPERIMENTAL SET‐UP 

 

FIG. 7 PWM CIRCUIT FOR CONTROL OF THERMAL LOAD 

(PEHLIVAN 2013) 

The  tests have provided  ‘proof of concept’  for several 

control  algorithms  but  the  actual  implementation  of 

DFR will  be  a  trade‐off  between  control  options  and 

ease  of  implementation.  Various  ways  of  practical 

implementation will be discussed in the last section of 

this paper.  

Power System Impact

The objective of  introducing DFR  is to  increase power 

system  stability  and  provide  additional  regulation 

power.  In  order  to  evaluate  the  extent  to which  it  is 

able  to  do  this,  afew  relatively  simple  power  system 

models have been made and  tested. The models were 

implemented  in  MATLAB/Simulink  assuming  a 

system  like  the  one  sketched  in  figure  8.  In  order  to 

limit  complexity  it  was  decided  to  model  the  DFR 

response as being linear and the decision to do so was 

based  on  the  results  obtained  from  simulation  of 

aggregated  on/off  controlled  units.DFR  can  therefore 

in  this  simulation  be  viewed  as  operating  in  parallel 

with  frequency  controlled  generators,  but  with  a 

smaller time‐delay. 

The issue of response time is a trade‐off; between a fast 

response  with  a  corresponding  risk  of  over‐reaction 

and  self‐induced  oscillations,  and  a  slower  response, 

that  does  not  fully  utilise  the  benefits  of  DFR  as 

disturbance reserve but prevents oscillations.  

 

FIG. 8 SKETCH OF A SIMPLIFIED POWER  

SYSTEM CONTAINING DFR 

DFR acting as Disturbance Reserve 

The effect of DFR as disturbance  reserve  is  illustrated 

by  figure  9. A  load  step  of  0.6 % will,  according  to 

equation  3,  cause  the  frequency  to  drop  at  a  rate  of 

approximately 25mHz/s. The frequency will drop until 

a sufficient amount of controllable generation has been 

activated, but  the  limited generation ramp rate delays 

this  activation  and  the  frequency  drops  by  112mHz 

before it starts to increase again. 

 

FIG. 9 SIMULATED RESPONSE TO A LOAD  

STEP OF 0.6 % (BOGØ 2013) 

Page 9: Heating Demand as Frequency Controlled Regulation Power

www.ijep.org                                                                 International Journal of Energy and Power (IJEP) Volume 3 Issue 2, May 2014 

30 

The  situation  is  different  when  fast‐acting  DFR  is 

present. The power imbalance is matched within a few 

seconds,  the  frequency  only  drops  by  approximately 

6mHz  and  the  stationary  error  is  also  smaller.  This 

indicates that DFR has a large potential as disturbance 

reserve  in systems with small amounts of controllable 

generation. 

DFR as Frequency Controlled Normal Reserve 

In order to investigate the situation when DFR is acting 

as frequency controlled normal reserve (FNR) two time 

series  (of  wind  power  and  load  consumption)  are 

needed as input data. Data from 2013, available on the 

homepage of the Danish transmission system operator 

with a temporal resolutionof5 minutes were used. 

When DFR acts as FNR the effect is to move part of the 

actual  regulation  from  generators  to DFR.  Since DFR 

and generators act in parallel, the amount of regulation 

supplied  by  each  part  will  depend  on  the  relative 

amounts of  active  control power  and  their  regulation 

constants. When the amount of regulation supplied by 

generators  decrease,  their  ramp  rates  also  decrease. 

Figure  10  shows  the  simulated  influence  of  DFR  on 

generator  ramp  rates and  system  frequency. With  the 

introduction of 0.1 p.u. of DFR the standard deviation 

of generator ramp rates  is reduced from1.4∙10‐3p.u. pr. 

minute  to 1.2∙10‐3 p.upr. minute and  large  ramp  rates 

are almost eliminated. 

 

FIG.10 SIMULATED EFFECT OF DFR ON GENERATOR RAMP 

RATES AND FREQUENCY IN A SYSTEM WITH 21 % WIND 

PENETRATION 

The  introduction of DFR also results  in a reduction  in 

standard  deviation  of  the  frequency  due  to  the  extra 

regulation  capacity  which  results  in  a  stronger 

regulation  response.  Lower  ramp  rates  allow  for  less 

utilisation  of  controllable  generation  but  it  is  more 

difficult  to  evaluate  the  benefits  of  smaller  frequency 

deviations.  

The  amount  of  DFR  and  the  length  of  its  response 

delay  turn  out  to  be  critical  parameters.  If  DFR 

responds  too  strongly  to a  frequency  change, or with 

too  much  delay,  then  self‐induced  oscillations  may 

occur and the presence of DFR tends to have a negative 

effect on  the system, with  larger  frequency deviations 

and increased generator ramp rates. 

DFR in Conjunction with Scheduled Power  

Another  way  to  evaluate  DFR  is  to  assume  that 

conventional generation  from  e.g.  combined heat and 

power  plants  (CHP)  only  provides  scheduled  power 

and  DFR  therefore  has  to  cover  the  entire  need  for 

regulation. Figure  11  shows  an  example of  simulated 

system balance over a period of 120 hours with wind 

power data multiplied by a factor of approximately 2.5 

to reach a wind penetration of 50 %. The conventional 

(CHP)  power  follows  an  hourly  schedule with  small 

adjustments  to  remove  stationary  frequency  errors. 

The maximum ramp rate of conventional power is 2% 

pr. Minute  in  this  simulation  and  the DFR  control  is 

proportional with a regulation constant of KDFR = 1 p.u. 

/Hz.  The  maximum  ramp  rate  of  conventional 

regulation  is  essential  for  the  outcome  of  the 

simulation because it determines how much regulation 

that must be provided by DFR. A maximum of 2% pr. 

minute  is  a  rough  estimate  based  on  data  from 

(Suwannarat 2007). 

When  load  exceeds  wind  power  DFR  provides  the 

necessary  regulation power  to  close  the  gap  between 

load and scheduled generation. 

DFR  is  capable  of  keeping  the  frequency  deviations 

within  0.1 Hz. The maximum DFR power  is 0.1 p.u. 

but  during  96%  of  the  time  it  remains  within 0.03 

p.u.This means that even without intra‐hour regulation 

it  is  possible  to  supply  the  required  regulation  and 

maintain system stability with 0.1 p.u. of DFR. 

The  energy  buffering  that  DFR  needs  to  perform  is 

found  as  the  integral  of  the  DFR  power.  Figure  11 

shows  that  this  power  integral  remains  below  1.5 

p.u.∙ minute. The amount of DFR in the system is equal 

to  0.1  p.u.  and  the  required  energy  buffer  therefore 

corresponds  to  nominal  DFR  power  for  15 minutes. 

This  is  small  compared  to  the  earlier  estimated 

domestic heating timescale of 4.2 hours.  

Page 10: Heating Demand as Frequency Controlled Regulation Power

International Journal of Energy and Power (IJEP) Volume 3 Issue 2, May 2014                                                                www.ijep.org 

31 

 

FIG.11 RESULT OF POWER SYSTEM SIMULATION WITH 50% WIND PENETRATION AND DFR REGULATION 

Implementationof DFR

In  the  previous  sections  we  have  discussed  the 

properties  and  effects  of  DFR  but  unsolved  issues 

remain with  regard  to  practical  implementation.  The 

technical issues relate e.g. to the type of control, where 

the control hardware should be physically placed and 

how the input parameters should be chosen. There are 

also economic aspects to consider as well as the role of 

DFR  seen  in  relation  to  e.g.  price  signal  control  or 

direct control of load demand. 

There  are  several  possible  scenarios  with  regard  to 

implementation of DFR; a selection is listed below: 

1) Control hardware with  imbedded  software  is built 

into  the  appliance  (e.g.  a  heat  pump)  at  the 

manufacturer. A few control parameters may be set by 

the  user  but  most  of  them  are  fixed.  There  is  no 

payment  to  the  consumer  for  DFR  services  but  a 

discount could be given to customers who choose this 

option.  The  discount  could  be  paid  for  by  the 

transmission system operator  (TSO) and added  to  the 

cost of electricity or paid for by savings in payment for 

frequency controlled reserve supplied by generators.  

2) DFR control hardware and software  is sold as add‐

ons for existing appliances. This option is difficult and 

not likely to be used because the individual add‐on has 

to work with  the control  that  is already built  into  the 

appliance.  This means  that  e.g.  thermostat  set‐points 

must be changed by  the add‐on and  it must  therefore 

be  custom‐made  to  the  appliance  control.  But  for 

simple  resistive  loads  the  add‐on  option  could  be 

attractive  and  easy  to  use.  The  cost  of  such  add‐ons 

could be returned to the consumers by the TSO or DSO 

via  an  electricity  price  reduction  for  customers  who 

purchase DFR add‐ons.   

3) DFR  control  could be one of  the  features of  smart‐

grid control boxes or advanced smart‐meters  installed 

in  private  homes  and  industry.  Possibly  the DSO  or 

TSO  would  have  the  option  to  set  certain  critical 

control  parameters  in  order  to  be  able  to  adjust  the 

strength of the DFR response. The main feature of such 

a  control  box  would  likely  be  control  based  on 

electricity  prices  and  price  forecasts,  with  DFR  as  a 

possible supplement. This option seems attractive since 

DFR  in  itself will  likely  not  be  attractive  enough  to 

make costumers interested. 

4) DFR is implemented only in relation to large central 

loads  and generation,  such  as, district heating plants, 

combined  heat‐and‐power  plants,  large  public  or 

residential  buildings  and  large  industry.  This  is  a 

realistic  scenario  since  it  can  be  done  with  minor 

changes to the present praxis. Larger loads (e.g. above 

100kW) will  in  this  scenario be  able  to  sell  frequency 

controlled regulation capacity to the TSO and provide 

it with their own equipment. 

5) Another  possibility  is  that  the  need  for  frequency 

controlled regulation will not become  large enough to 

make DFR  relevant. The need  for  fast  regulation will 

increase  but  the  amount  of  conventional  generation 

will  remain  large  enough  to  cover  the  relatively 

Page 11: Heating Demand as Frequency Controlled Regulation Power

www.ijep.org                                                                 International Journal of Energy and Power (IJEP) Volume 3 Issue 2, May 2014 

32 

modest needs for decades to come. Even if the amount 

of  conventional  generation  is  reduced  dramatically  a 

large fraction of the regulation requirement could most 

likely be obtained via electricity‐price based control as 

part of a smart‐grid.  

Conclusions

The  analysis  presented  here  shows  that  heat  pumps 

with  thermal  energy  storage  in  a  likely  future  (year 

2050)  scenario  will  constitute  at  least  0.09  p.u.  and 

thereby have sufficient regulation capacity to be able to 

supply  the  full  need  for  frequency  controlled 

regulation  in  the Danish  power  system,  and  even  be 

able  to  cover  a  substantial  part  of  the  inter‐hour 

regulation  requirement.  The  simulations  have 

indicated  that  the  concept  of  Demand  as  Frequency 

controlled  Reserve  (DFR)  is  useful  and  relevant  but 

there are potential complications. There  is a danger of 

overreaction  and  self‐induced  oscillations  if  the DFR 

response  is  too  strong  or  too  slow  compared  to  the 

system  response.  If managed  the  right  way,  DFR  is 

found to have a positive  impact on the power system, 

with  smaller  ramp  rates  of  conventional  generation 

and smaller frequency deviations.  

Simulations  have  also  indicated  that  the  combined 

response from a large number of on/off regulated DFR 

heating units may approach a proportional response if 

the individual units are in random temperature states, 

but large thermal energy storage capacity is required to 

ensure this.  

Experimental  testing of  a  range of  control  algorithms 

has  shown  how  the  concept  can  be  implemented  in 

conjunction  with  thermostat  regulation  to  maintain 

user  satisfaction  and  supply  frequency  regulation  at 

the  same  time.  The  exact  choice  of  control  algorithm 

must  be  based  on  a  range  of  technical  requirements, 

user requirements and power system requirements.  

The  issue of practical  implementation of DFR remains 

open.  There  is  currently  no  obvious way  for  system 

operators  to measure  and  pay  individual  consumers 

for  this  service  and  it  is  unclear  how  regulation 

parameters  should  be  controlled  to  ensure  a  positive 

impact on the system. A possible first step could be to 

expand  the  current  market  for  frequency  controlled 

regulation power  to  include  large  flexible  loads. Later 

on,  DFR  control  could  be  built  into  flexible  devices, 

primarily heat pumps and electric vehicle chargers and 

ultimately  it  could  perhaps  become  a  short‐timescale 

supplement to price control, as one of several features 

of smart‐homes and smart‐grids.  

ACKNOWLEDGEMENT

Part  of  this  work  has  been  financed  by  the 

Danishipower project. The authors would like to thank 

the  council  for  Strategic  research  and  the  council  for 

Technology  and  Innovation  for  their  support  to  this 

project. 

REFERENCES

Biegel, Benjamin, Lars Henrik Hansen, Palle Andersen, 

and Jakob Stoustrup. “Primary Control by ON/OFF 

Demand‐Side Devices.”  IEEE Transactions  on  smart 

grid, 2013: 2061‐2071. 

Bogø,  Robin  Alexander.  Investigation  into  demand  as 

frequency reserve. Copenhagen: Technical University 

of Denmark, 2013. 

Douglass,  Philip  J,  Rodrigo  Garcia‐Valle,  Preben 

Nyeng,  Jacob  Østergaard,  and  Mikael  Togeby. 

“Demand  as  Frequency  Controlled  Reserve: 

Implementation and practical demonstration.” IEEE 

PES  Innovative  Smart  Grid  Technologies  Conference 

Europe. Manchester, 2011. 

Douglass, Philip J. Demand as frequency controlled reserve: 

Water  Treatment,  Reley‐controlled  Loads,  Micro‐grid. 

Copenhagen:  Technical  University  of  Denmark, 

2012. 

Douglass,  Philip  J.,  Rodrigo  Garcia‐Valle,  Preben 

Nyeng,  Jacob  Østergaard,  and  Mikael  Togeby. 

“Smart  Demand  for  Frequency  Regulation: 

Experimental Results.”  IEEE TRANSACTIONS ON 

SMART GRID, 2012. 

Dyrelund,  Anders.  Heat  plan  Denmark.  Copenhagen: 

Ramboll, 2009. 

Energinet.dk. 

http://www.energinet.dk/DA/El/Engrosmarked/. 

Energinet.dk. 2013. (accessed 2013). 

Fjernvarme,  Marstal.  www.marstal.dk.  2014.  (accessed 

January 21, 2014). 

Hirth,  Lion,  and Anka Ziegenhagen.  “Control  Power 

and  Variable  Renewables:  A  Glimpse  at  German 

Data  .” 10th International Conference on the European 

energy Market. Stockholm, 2013. 

Klingest,  Adam  Hoffmann.  Præsentation  og  analyse  af 

on‐line  målinger  vha.  DFR‐smartbox.  Copenhagen: 

Technical University of Denmark, 2012. 

Page 12: Heating Demand as Frequency Controlled Regulation Power

International Journal of Energy and Power (IJEP) Volume 3 Issue 2, May 2014                                                                www.ijep.org 

33 

Mieritz,  Casper  Falkenstrøm.  Aggregate  modeling  and 

simulation of price responsive heat pumps. Copenhagen: 

Technical University of Denmark, 2010. 

Nyeng,  Preben,  Casper  F.  Miertz,  and  Jacob 

Østergaard.  “Modelling  and  simulation  of  power 

system balcancing by distributed  energy  resources 

and  flexible  demand.”  IEEE  Transactions  on  Power 

systems 513 (2010). 

Pehlivan,  Salih  Aki.  Demand  as  frequency  controlled 

reserve.  Copenhagen:  Technical  University  of 

Denmark, 2013. 

Ravn,  Ole,  and Mikael  Grimmig.  Energy  Flex  House, 

Developing  energy  efficient  technologies  ‐ Meeting  the 

global challenges. Copenhagen: Danish Technological 

Institute, 2011. 

Suwannarat,  Akarin.  Integration  and  control  of  wind 

farms  in  the  Danish  electricity  system.  Aalborg: 

Aalborg University , 2007. 

Xu,  Zhao,  Jacob  Østergaard,  and  Mikael  Togeby. 

“Demand  as  frequency  controlled  reserve.”  IEEE 

Transactions on power systems 26 (2011): 1062‐1071.  

Claus  Nygaard  Rasmussen  received  a M.Sc.  (Eng.)  and  a 

Ph.D. from the Technical University of Denmark in 1997 and 

2004. He is now Associate Professor at the Centre for Electric 

Power  and  Energy  (CEE)  at  the  Technical  University  of 

Denmark.  

Christian Brandt Rasmussenreceived a B.Sc. (Eng.) from the 

Technical University of Denmark in 2008. He currently works 

as Development Engineer and Project Manager at the Centre 

for  Electric  Power  and  Energy  (CEE)  at  the  Technical 

University of Denmark. 

Salih  Palivan  received  a  M.Sc.  (Eng.)  from  the  Technical 

University of Denmark in 2013. 

Robin  Bogø  received  a  M.Sc.  (Eng.)  from  the  Technical 

University of Denmark  in 2013. He  is currently employed at 

the Danish National Railways.