Investigation of the dynamic behavior of variable speed pumped storage hydropower plants for Frequency Containment Reserve provision

Abstract

Pumpspeicherkraftwerke sind die derzeit am weitesten verbreitete Technologie zur Speicherung elektrischer Energie im großen Maßstab. Sie übernehmen einen großen Teil der Frequenzregelungs- und Ausgleichsaufgaben in vielen Energiesystemen auf der ganzen Welt. In den letzten zwei Jahrzehnten sind neue Technologien für drehzahlvariable Antriebskonzepte entstanden und werden nun als große und flexible elektrische Energiespeicher in Stromversorgungssysteme integriert. Zwei Pumpspeicherkonzepte mit drehzahlgeregelten Maschinen, eine doppeltgespeiste Asynchronmaschine und eine Synchronmaschine mit Vollumrichter, werden in dieser Arbeit auf ihr dynamisches Verhalten untersucht. Darüber hinaus werden transiente Simulationen durchgeführt, um die Möglichkeit der Bereitstellung von Primärregelenergie (Frequency Containment Reserve - FCR) während des Pump- und Turbinenbetriebs auf der Grundlage der ENTSO-E Continental Europe Anforderungen für FCR zu untersuchen. Die Überwachung einer korrekten FCR-Bereitstellung durch den Regelenergieanbieter wird mit zunehmender Datenübertragung zum Übertragungsnetzbetreiber immer fortschrittlicher. Es werden drei Methoden, die sich noch im Forschungsstand befinden und zunehmend in den Live-Betrieb bei den Übertragungsnetzbetreibern eingeführt werden sollen, vorgestellt. Die Anwendung dieser Überwachungsmethoden zum Nachweis einer korrekten FCR-Bereitstellung beider drehzahlvariablen Konzepte im Turbinen- und Pumpenmodus wird ebenfalls demonstriert. Alle drei Methoden zeigen die Korrektheit der Primärenergiebereitstellung durch die drehzahlvariablen Pumpspeicherkraftwerke und Vorteile jeder Methode werden diskutiert. Abschließend erfolgt eine Analyse der Wirtschaftlichkeit der FCR, die durch Pumpspeicherkraftwerke mit variabler Drehzahl bereitgestellt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass eine hohe Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen FCR-Preis und Strompreis für eine wirtschaftliche FCR-Bereitstellung von drehzahlvariablen Pumpturbinenspeichern vorherrscht.

Pumped hydroelectric energy storage (PSH) is the most established large-scale electrical energy storage technology as of now. PSH covers a large share of regulation and balancing tasks in many power systems worldwide. New technologies for variable speed drive concepts have emerged in the last two decades. They are now being integrated in power systems as large and flexible sources of electrical energy storage. This thesis investigates two PSH concepts with variable speed power units, a doubly-fed induction motor-generator and a synchronous motor-generator with a full-size converter, for their dynamic behavior. Furthermore, transient simulations are conducted to investigate the possibility of providing frequency containment reserve provision (FCR) during pump and turbine operations based on ENTSO-E Continental Europe requirements. Monitoring a correct FCR provision from the balancing service provider is becoming more and more advanced as data transfer to the TSO intensifies. Three methodologies are presented, which are still part of ongoing research and are more and more introduced in live operations at TSOs. These monitoring methods are applied to prove a correct FCR provision of both variable speed unit schemes in turbine and pump mode. All three methods determine a correct FCR provision by the variable speed PSH, and each method's advantages are discussed. Finally, an analysis of the economics of FCR provided by variable speed pumped hydropower plants is given. Results show a high dependence on the ratio between FCR price and electricity price for an economic FCR provision of variable speed pump-turbine storage.