Integration of Non-synchronous Generation - Frequency Dynamics

Abstract

Traditionally the predominant generation has been large synchronous generators providing the system inertia. Nowadays when wind power and other non-synchronously connected units displaces this synchronous generation, the system inertia is reduced. Hence higher rate of change of frequency and larger frequency deviations are expected.

This thesis deals with the impact on rate of change of frequency and frequency deviation in the Nordic power system with decreasing system inertia as well as with the introduction of synthetic inertia and frequency support from wind turbines.

Increasing wind power is a question of system inertia, governor frequency response, load frequency response and magnitude of disturbance rather than the amount of wind power in the system. As long as the system inertia is maintained at an acceptable level, the wind power production can be arbitrarily selected.

A synthetic inertia controller acting on df/dt calculated from a slight filtered frequency gives a frequency response similar to that for a synchronous generator. Further, it can damp the electromechanical oscillations between (groups of) generators in the system, provided that the turbine can handle a few periods of oscillations which are reflected in the output power. If measured frequency is filtered heavier prior to calculating df/dt the controller does not act on the oscillations. The wind turbine response is also delayed which is preferable as the hydropower reacts faster and the frequency deviation is reduced.

A frequency support controller acting on Δf is best used in combination with curtailed wind turbine output power. A predictable frequency response is obtained which can be handled similar to frequency response from traditional generation. The Δf-controller is also possible to use without curtailment but the tuning of it is very critical, especially in a system with high level of wind power. If this controller is not handled with great caution it may be devastating to the frequency dynamics.

The entire power system has to be considered to verify wind turbine behavior in combination with already existing turbine governors. Otherwise an attempt to improve frequency dynamics can end up with worse frequency dynamics than without any control on wind power.

The amount of induction generators in the system is also likely to increase. It is shown that the synchronous and induction generator capability of delivering power to the grid during a frequency disturbance is almost solely determined by the generator and turbine mechanical system, i.e. the amount of inertia. Introducing new types of production with induction generators may affect the frequency dynamics due to a change in inertia but this is not directly related to the type of generator.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I Sverige och Norden har elproduktion traditionellt skett med huvudsakligen vattenkraft och kärnkraft. Detta håller dock på att förändras i takt med en allt större vindkraftsutbyggnad. Vindkraften skiljer sig i vissa avseenden från de traditionella produktionsslagen, ett av dessa är hur anslutningen till elnätet är utformad. Detta innebär att vindkraften, sedd från nätet, inte beter sig som exempelvis vattenkraft och kärnkraft vilket kan äventyra stabiliteten i nätet. I detta arbete har olika möjligheter att med hjälp av reglering ge vindkraften ett beteende liknade traditionell produktion studerats. Detta för att möjliggöra en fortsatt stabil drift av det nordiska elnätet.

Frekvensen i nätet bestäms av balansen mellan total produktion och total förbrukning. Detta kan ses som en våg med produktion på ena vågskålen och förbrukning på den andra. Jämviktsläget, motsvarande 50 Hertz (Hz), eftersträvas alltid.

Om en del av produktionen plötsligt skulle falla ifrån som vid ett snabbstopp av ett kärnkraftaggregat, påverkas inte förbrukningen och frekvensen kommer att sjunka. Synkrongeneratorer, i vattenkraft och kärnkraft, kommer vid fallande frekvens momentant öka sin effekt genom att energi frigörs från kraftverkens roterande massor. Detta gör att frekvensen faller långsammare. Efter några sekunder kommer frekvensreglering i framför allt vattenkraftverk automatiskt att kompensera för den förlorade produktionen genom att öka effekten från den kvarvarande produktionen. Detta återställer frekvensen till nära 50 Hz.

Alla moderna vindkraftverk är icke-synkront anslutna till nätet vilket innebär att de levererar sin elektriska effekt oberoende av nätfrekvensen. Dessa generatorer ger alltså inte något naturligt stöd till frekvenshållningen. Med mer vindkraft och mindre synkron generering faller frekvensen därmed snabbare och frekvensregleringen har kortare tid på sig att reglera upp produktionen vilket innebär att man får en större frekvensavvikelse från 50 Hz. Om regleringen inte hinner med kan avvikelsen bli otillåtet stor för exempelvis kärnkraftverk och man riskerar att dessa kopplas bort. Detta kan i värsta fall leda till strömavbrott av nationell omfattning.

Om vindkraftverken förses med lämplig reglering kan de hjälpa till att stabilisera frekvensen på ett sätt liknande en synkrongenerator. I denna avhandling har olika typer av regulatorer undersökts i ett framtida scenario för det nordiska kraftsystemet. Vissa regulatorer har visat sig fungera bra medan andra är svåra att justera och kan under olyckliga omständigheter till och med ge en sämre frekvens än ingen reglering alls. Valet av regulatortyp är starkt beroende av hur systemet ser ut och den snabbaste regleringen fungerar inte alltid bäst i kombination med redan befintlig frekvensreglering.

I de flesta fall kommer vindkraften troligen inte att innebära några problem för frekvensen i det nordiska systemet eftersom det ändå kommer att finnas tillräckligt mycket vattenkraft och kärnkraft. Den svåraste situationen är när man har mycket vindkraftsproduktion i kombination med låg förbrukning. Då kan det vara fördelaktigt att minska vindkraftsproduktionen några procent för att på så sätt få en marginal som kan användas till frekvensreglering med vindkraften. Detta är det säkraste och mest tillförlitliga sättet att erhålla stabil frekvens med hög andel vindkraft.

• author: Björnstedt, Johan
• supervisor: Olof Samuelsson
• opponent: Professor O'Malley, Mark, University College Dublin, Ireland
• organization: Industrial Electrical Engineering and Automation
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
• keywords: Frequency control, Frequency dynamics, Frequency response, Non-synchronous generation, Power system, Synthetic inertia, Wind power
• defense location: Room M:B, M-building, Ole Römers väg 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2012-06-13 10:15:00
• ISBN: 978-91-88934-56-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: e15b4c76-492d-4bb8-b39f-3cdaa085cd82 (old id 2536665)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:20:33
• date last changed: 2018-11-21 21:13:21