Till innehåll på sidan

Fundamental Control Performance Limitations for Interarea Oscillation Damping and Frequency Stability

Tid: Ti 2021-06-01 kl 15.00

Plats: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_7MusEV_WRgCNGqMny6YLIw, F3, Lindstedsvägen 26, Stockholm (English)

Ämnesområde: Elektro- och systemteknik

Respondent: Joakim Björk , Reglerteknik, Kungliga Tekniska högskolan

Opponent: Professor Joe H. Chow, Rensselaer Polytechnic Institute, Electrical, Computer, and Systems Engineering

Handledare: Professor Karl H. Johansson, Signaler, sensorer och system, Reglerteknik, ACCESS Linnaeus Centre; Adjungerad Professor Lennart Harnefors, Elkraftteknik, ABB, Corporate Research

Exportera till kalender

Abstract

Övergången till förnybar energi och avregleringen av elmarknaden leder till förändringar i elnätet. En växande efterfrågan på el och en mer väderberoende och osäker produktion ökar behovet av överföringskapacitet. En minskning av rotationsenergin till följd av en högre andel förnyelsebar elproduktion medför även ett ökat behov av snabba frekvensreserver, fast frequency reserves (FFR). I denna avhandling så studeras fundamentala begränsningar för att med återkoppling dämpa interareapendlingar och förbättra frekvensstabiliteten. 

Den första delen av avhandlingen undersöker fundamentala prestandabegränsningar för dämpningen av interareapendlingar. Dessa systemövergripande pendlingar involverar grupper av generatorer som svänger i förhållande till varandra. Interareapendlingar är ibland svåra att styra på grund av deras skala och komplexitet. Vi studerar begränsningar vid återkoppling från lokala mätsignaler, samt för centraliserade regulatorstrukturer med begränsningar kopplade till ställdonsdynamik och elsystemets topologi. Det visas hur stabiliteten hos två olika synkrona nät sammankopplade med högspänd likström, high-voltage direct current (HVDC), kan förbättras genom att modulera den aktiva effekten hos en enda HVDC-länk. En utmaning med aktiv effektmodulering är att växelverkan mellan interareapendlingar hos de två näten kan ha en negativ inverkan på systemets stabilitet. Genom att studera styrbarhetsgramianen visar vi att det alltid är möjligt att förbättra dämpningen i båda näten så länge som frekvenserna hos deras interareapendlingar inte ligger för nära varandra. Det visas hur styrbarheten, och därmed de möjliga dämpningsförbättringarna, försämras då frekvensskillnaden blir liten. Då frekvensskillnad är 5% så kan dämpningen förbättras med cirka 2 procentenheter medan en frekvensskillnad på 20% möjliggör cirka 8 procentenheters förbättring av dämpningen i båda näten. Resultaten valideras i en detaljerad simuleringsstudie av två elnät (vardera med 32 noder) sammankopplade med en HVDC-länk. Utöver detta undersöks även koordinerad styrning av två och fler länkar. För vissa elnätstopologier visas det att växelverkan mellan besvärliga interareapendlingar kan undvikas.

I avhandlingens andra del undersöks koordinering av frekvenshållningsreserver, frequency containment reserves (FCR), i kraftsystem med låg rotationsenergi. En fallstudie genomförs i en modell av det nordiska kraftsystemet bestående av 5 maskiner. Vi undersöker ett scenario med låg rotationsenergi där FCR tillhandahålls från vattenkraft. Vattenvägarnas icke-minfasegenskaper medför en bandbreddsbegränsning. En konsekvens av detta är att FCR baserad på enbart vattenkraft misslyckas med att hålla frekvensen över det tillåtna gränsvärdet 49,0 Hz efter bortfallet av en HVDC-länk som importerar 1400 MW. För att förbättra frekvenssvaret undersöks möjligheten att tillhandahålla FFR från vindkraft. För detta ändamål så utvecklas en ny vindkraftverksmodell. Turbinen styrs med variabelt varvtal och tillåter FFR genom att tillfälligt låna energi från turbinen. Vindkraftverket linjäriseras för att möjliggöra en koordinering med långsam FCR från den befintliga vattenkraften. Kompletterande vindresurser med totalt 2000 MW märkeffekt (vid 70–90% av nominell vindhastighet) visar sig vara mer än tillräckligt för att uppnå frekvenskraven. Frekvensen hålls över 49,0 Hz utan att behöva installera batterilager eller begränsa vindkraftens produktion och spilla energi från vinden.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-293532