| dc.description.abstract | Behovet for fornybare energikilder vokser kontinuerlig. Energiproduksjonen i fremtidens kraftsystemer vil i store deler bestå av fornybare energikilder som vindkraft, vannkraft og solenergi. Selv om bruk av fornybare energikilder er en stor fordel med tanke på miljøaspektet, spesielt med tanke på utslipp av ikke-fornybare gasser, medbringer det også utfordringer for transmisjon og stabilitet i kraftsystemet. I motsetning til konvensjonelle energikilder, kan ikke vindkraft og solenergi lagres og brukes ved senere behov. Her skiller vannkraft seg ut blant de fornybare energikildene, da vann kan lagres i reservoarer som vannmagasin. Det må bemerkes at lagring av vannkraft fortsatt utsettes for geografiske og miljømessige faktorer, slik at ikke heller det kan være hundre prosent sikkert. Likevel er det betraktelig mer pålitelig å lagre vann sammenlignet med vind og sol, der lagring ikke er mulig. Generelt fører integrering av fornybare energikilder i kraftsystemet til en reduksjon i systemets totale svingmasse. Reduksjonen i svingmasse medfører problemer for å opprettholde stabiliteten i systemet dersom en uforutsett situasjon skulle oppstå. Forsterkede reguleringstiltak må iverksettes i systemet for å sikre sikker og stabil drift ved for økt integrering av fornybar energi.
Vindkraft, som er hovedfokuset for denne masteroppgaven, har evnen til å produsere syntetisk svingmasse. Gode nivåer av dette kan oppnås ved implementering av vindturbiner med varierende rotasjonshastighet, da disse er mye mer fleksible enn turbinene med konstant hastighet. Turbinenes evne til å variere rotasjonshastigheten gir raskere og mer sikker regulering ettersom disse også ikke er direkte koblet til kraftnettet.
I denne masteroppgaven vil frekvensreguleringen til et vindkraftverk med variabel hastighet koblet til et isolert kraftnett bli evaluert. Først vil en base case bli etablert for det isolerte kraftnettet for å analysere systemets oppførsel under et lastavvik. Deretter vil vindparkmodellen integreres i den samme kraftsystemkonfigurasjonen for å undersøke hvordan frekvensresponsen endres, og virkningen av syntetisk svingmasse produsert av vindparken.
I tillegg vil to ulike scenarier som involverer kontinuerlig støtte fra vindparken over en lengre periode undersøkes. I det første scenariet vil vindparken gi kontinuerlig støtte til systemet helt til rotasjonshastigheten overstiger grensen for sikker drift. Da vil bidraget fra vindparken reduseres, slik at den kan gjenopprette normal drift. I det andre scenariet vil reserver som gjenoppretter frekvensen introduseres en stund inn i simuleringen, disse reservene erstatter vindparkens støtte. Dette gjør det mulig for vindparken å gjenopprette normal drift uten å måtte få ekstern støtte.
Integreringen av en vindpark med variabel hastighet i kraftsystemet viser lovende resultater ved å tilby frekvensstøtte for å forbedre stabiliteten i systemet. Vindparken spiller en viktig rolle i reduseringen av det initielle frekvensfallet forårsaket av lastavviket. Det er viktig å påpeke at frekvensstøtten vindparken tilbyr bare er midlertidig. Ved en brå økning av lasten vil en del av den kinetiske energien lagret i systemet frigjøres. Dette fanges opp av regulatoren for syntetisk svingmasse, som signaliserer vindparken til å bidra med mer kraft. Økningen av lasten fører til at vind turbinenes rotasjonshastighet avtar. Dette fører til at arbeidspunktet på kraftkoeffisient-kurven flyttes. Fordelen ved å initielt operere på høyre side av kurven er at vindparken kan tilby støtte i betydelig lengre tid. Ved å operere på høyre side vil det ta lengre tid før vindparken når arbeidsgrensen for rotasjonshastigheten, i motsetning til å operere på venstre side av kurven. Posisjoneringen av arbeidspunktet på kurven muliggjør derfor forlenget støtte fra vindparken under lastforstyrrelser.
Kraftsystemet som brukes i oppgaven er Kundurs Two Area System. Dette fungerer som en forenklet representasjon av små til mellomstore kraftsystemer. Systemet brukes ofte til å undersøke ulike konsepter og fenomener relatert til kraftsystemanalyse. Ved å manipulere parameterne til samleskinner, generatorer, transformatorer, linjer og regulatorer kan ulike scenarier formes, slik at de gir realistiske resultater. Simuleringene utføres i programvaren DynPSSimPy. Dette er en open-source programvare som er skrevet i Python, og brukes til dynamisk kraftsystemsimulering. Bruken av DynPSSimPy gjør det mulig å gjennomføre nøyaktige analyser av dynamikken i kraftsystemet ved de simulerte lastavvikene. | |
| dc.description.abstract | The demand for renewable energy is experiencing a continuous growth. In future power systems, a substantial portion of energy generation will be derived from renewable energy sources such as wind, hydro and solar energy. Utilisation of renewable energy sources provides a significant environmental advantage, particularly in terms of reducing emission from non-renewable gases. This introduces new challenges regarding power system transmission and stability. Unlike conventional energy sources, Wind and solar energy cannot be easily stored and dispatched at the needed time. Hydro power stands out among renewable energy sources as it allows for storage, because water can be stored in reservoirs. It must be noted that hydro power storage still is subject to geographical and environmental factors. Nonetheless, hydro power offers a more reliable storage mechanism compared to wind and solar energy which lack inherent storage mechanisms. In general, the integration of renewable energy sources in the power system leads to a reduction system inertia levels. This decrease in system inertia creates challenges in terms of maintaining stability during transient events in the power system. Enhanced control measures and strategies must be implemented in the system to allow safe and stable operation of the power system in the presence of increased renewable energy integration.
Wind energy, which is the main focus of this thesis, have the ability to provide a fair amount of synthetic inertia. This is achieved by the implementation of variable speed wind turbines, which is more flexible than their fixed speed counterpart. The variable speed element of the turbines allow for faster and safer control as the turbines are decoupled from the power grid.
In this thesis, the frequency control will be evaluated for a variable speed wind power plant connected to an isolated grid. Initially, a base case is established for the isolated grid to examine the systems behaviour during a load deviation. Subsequently, the wind farm model is incorporated in the same power system configuration to examine the frequency support and impact of synthetic inertia provided by the wind farm.
Additionally, two scenarios involving continuous support from the wind farm over an extended time period is examined. In the first scenario, continuous support from the wind farm is provided until the rotor speed surpasses the controllers limit for safe operation, and the active power contribution to the system is reduced. In the second scenario, frequency restoration reserves are introduced, subsequently replacing the primary control reserve provided by the wind farm. This enables the analysis of the autonomous restoration of the wind farm without external intervention after providing synthetic inertia.
The integration of a variable speed wind farm shows promising results in enhancing the stability of the power system by providing frequency support. The wind farm plays a crucial role in reducing the initial drop in frequency caused by the load deviation. Additionally, it is important to note that the provision of frequency support from the wind farm is only temporary. During a sudden load increase, a portion of the kinetic energy stored in the system is released. The synthetic inertia regulator of the wind farm detects this and signals the wind farm to contribute power. As the load increase leads to a decrease in rotor speed decreases, the operating point on the power coefficient curve shifts. By initially operating on the right side of the curve, the wind farm is able to provide support for a significantly longer duration, as operating on the right side allows it to delay reaching the rotor speed limits, in contrast to operating on the left side. This positioning of the curve's operating point facilitates the prolonged support of the wind farm during transient events.
The power system used for this simulation study is Kundur's Two Area System, which serves as a simplified representation of small- to medium-sized electric power systems. The system is commonly employed to explore various concepts and phenomena related to power systems. By manipulating the parameters of buses, generators, transformers, lines and governors, different scenarios can be created that yield realistic responses within the power system. The simulations are performed in the DynPSSimPy software, which is an open source software developed in Python used for dynamic power system simulation. The utilisation of DynPSSimPy facilitate accurate representations and analysis of dynamic behaviour of the power system during the simulated scenarios. | |
