Frequency Stability in Grids with a High Share of Variable Generation: The Role of Gas Turbines

Abstract

The electric power system is undergoing a major change through the implementation of a large number of variable renewable energy sources (VRE), driven by the goal to reduce carbon-dioxide emissions from electricity production. This transition increases the need for a more flexible and dynamic power system capable of maintaining voltage and frequency stability under changing operating conditions. Under normal operating conditions, the grid is supported by numerous generating units across the synchronous area, such as the Nordic power system. However, during disturbances or planned maintenance, transmission lines may be disconnected, potentially forming an islanded network that must rely entirely on local resources to maintain balance and stability -- otherwise a power outage is imminent.

This thesis investigates how gas turbines can support a subtransmission power grid with a high share of wind power, particularly during critical scenarios such as island operation and three-phase faults. Due to their fast start-up times and strong ramping capabilities, gas turbines remain well-suited for providing frequency support and reserves in a flexible power system. A simplified model of the Stenungsund region in western Sweden has been developed in DIgSILENT PowerFactory, including wind power, gas turbines, and battery storage. Transient RMS simulations were carried out to evaluate the grid's stability during fault conditions and disconnection from the main grid, where the number of gas turbines is varied from one to six units.

In general, the results demonstrate that gas turbines can play a key role in maintaining system stability during transient events in grids dominated by inverter-based generation.

Under island operation, gas turbines effectively handled active power imbalances and maintained frequency stability, with increasing numbers contributing to a more resilient grid. The results also show that by incorporating future capabilities for the gas turbines, such as increased inertia and fast power injection, frequency stability can be greatly improved.

However, during short-circuit events, the results indicate that increasing the number of gas turbines without reinforcing the grid can reduce transient stability and increase the risk of loss of synchronism following a short-circuit. This highlights the need to ensure sufficient grid strength when expanding local generation capacity to maintain synchronism during fault events.

Popular Abstract (Swedish)

Sverige elektrifierar i snabb takt, vilket driver en stor energiomställning där förnybara energikällor som vind- och solkraft spelar en nyckelroll. Dessa medför väldigt lite koldioxidutsläpp och är ett nödvändigt steg mot ett mer hållbart samhälle. Men är det verkligen så enkelt som att bara bygga mer vind- och solkraft - och kan vi förvänta oss samma robusta och pålitliga elförsörjning som vi tidigare haft?

Sedan "Strömkriget" på 1800-talet mellan Edison och Tesla har elnät världen över använt växelström, där strömmen växlar riktning flera gånger per sekund. I Europa sker detta 50 gånger per sekund – en frekvens på 50 hertz.

Frekvenshållning i ett elkraftssystem är av största vikt och måste beaktas för att kunna tillgodose ett stabilt nät. Vid 50 Hz är produktion och konsumtion av electriciteten i balans. Produceras mer effekt uppstår överfrekvens, produceras mindre uppstår underfrekvens.

Hur stabil frekvensen är beror bland annat på svängmassan i systemet. I system med mycket kärnkraft och vattenkraft snurrar turbiner med stor massa - en energilagring som hjälper till att hålla frekvensen stabil. Sättet vind- och solkraft är anslutna till nätet gör att de inte bidrar med svängmassa.

Det innebär att när intermittent förnybar energiproduktion ansluts till ett system minskar den relativa andelen lagrad energi i form av svängmassa. Mer förnybar energi kan alltså leda till ett elnät med högre instabilitet. När man designar framtidens elkraftsystem måste detta beaktas, och nya lösningar implementeras för att undvika att nätet försvagas.

Detta arbete har undersökt framtida integration av gasturbiner i elnät med hög andel vindkraft. Gasturbiner är ett kraftslag med hög verkningsgrad och stor flexibilitet. De kan startas mycket snabbt och producera kraft under så lång eller kort tid som behövs. Tack vare sin bränsleflexibilitet kan gasturbiner drivas med både fossila och förnybara bränslen.

Undersökningen visar att gasturbiner i hög grad bidrar till ökad stabilitet i elnät med hög andel intermittent energiproduktion. Simulerade testfall visar att man i de flesta fall gynnas av fler gasturbiner i systemet. Samtidigt kan många gasturbiner också skapa svagheter som måste planeras för vid utformning av nätet. Studien visar även på fördelar med att kombinera gasturbiner med batterilagring.

Sammanfattningsvis kan gasturbiner bidra till ökad driftsäkerhet och skapa flexibilitet i elkraftsystemet - vilket möjliggör en fortsatt utbyggnad av förnybara intermittenta kraftslag som vind och sol.

• author: Sjöberg, Axel and Blohmé, Kettil
• supervisor: Olof Samuelsson
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Frequency stability, Frequency dynamics, Gas turbines, PowerFactory, Island grid
• report number: ISRN LUTMDN/TMPH-25/5619-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 9193354
• date added to LUP: 2025-06-05 11:04:15
• date last changed: 2025-06-05 11:04:15