Analysis on limited frequency sensitive mode capabilities of power generating modules

Abstract

Renewable energy sources replace conventional power generation based on fossil fuels in order to reduce greenhouse gas emissions, which are responsible for the human-induced climate change. The energy grid is historically based on central power generation by large power plants, which are responsible for the stability of the system. The directly grid connected rotating masses of these facilities provide useful characteristics, such as inertia,low internal impedance and high short-circuit power, to the electricity grid, thus they make the system frequency more resistant to power disturbances. These large directly coupled generators of conventional power plants are continuously replaced by renewable energy sources, which are mostly non-synchronously connected to the grid through inverters. Asa result, the contributions of generators to stabilise the frequency are removed from the grid. The future energy grid's frequency is expected to be more vulnerable to power disturbances in the system, because of the impact of the development of the energy mix on grid properties such as the system inertia, which is predicted to decrease in the years to come.In order to achieve a stable frequency control in future, additional frequency regulation modes need to contribute to the system control. The responsibility of frequency control will be shifted to a larger number of power plants. One of these frequency regulation modes, introduced by the Requirements for Generators Network Code (RfG NC), is the Limited Frequency Sensitive Mode (LFSM). It is an additional mechanism, which supports the system frequency stability in emergency cases by active power responses provided by the involved power plants.To study the impact of the altering energy mix on the system properties, a data research has been carried out to provide base data for three scenarios for the years 2020 to 2050.These scenarios differ in the assumed amount of renewable energy sources in the energy mix and lead to different system parameters, which influence the frequency behaviour. In this thesis, the LFSM is programmed and dynamically simulated in a simulation model,which represents the Continental European synchronous area. The parameters of the simulation model are adapted to achieve a similar frequency behaviour. Synchronous generators,which are equipped with a turbine governor including the LFSM and a voltage controller, represent the installed generation capacity in the Continental European synchronous area. The performance of LFSM in case of disturbances that cause over frequency and under frequency deviations is investigated and a detailed analysis of the dynamic behaviour depending on the adapted parameters of LFSM is given. The impact of the on going shift of the energy mix on the performance of LFSM is also studied. LFSM is divided into two categories, LFSM-O (overfrequency) and LFSM-U (underfrequency). The two modes are not mandatory for the same power plant types, classified by the RfG NC. This leads to different capacities of active power that contribute to frequency regulation. The influence of this difference is investigated and a comparison of the performance of the two frequency regulation modes in the different scenarios is given.

Erneuerbare Energiequellen ersetzen konventionelle Stromerzeugung aus fossilen Energieträgern um Treibhausgase, die für den vom Menschen verursachten Klimawandel verantwortlich sind, zu reduzieren. Das Energieversorgungsnetz ist historisch für zentrale Energieerzeugung durch Großkraftwerke, welche für die Stabilität des Systems verantwortlich sind, ausgelegt. Die direkt mit dem Netz gekoppelten rotierenden Massen dieser Einrichtungenweisen wertvolle Eigenschaften, wie Momentanreserve, eine niedrige Innenimpedanz und eine hohe Kurzschlussleistung, für das Elektrizitätsnetz auf. Eine positive Auswirkung dieser Eigenschaften ist die erhöhte Resistenz der Systemfrequenz gegen das Auftreten von Ungleichgewichten in Erzeugung und Verbrauch. Diese großen, direkt gekoppelten Generatoren von konventionellen Kraftwerken werden fortschreitend durch Erneuerbare ersetzt, welche jedoch zumeist durch Wechselrichter nicht synchron mit dem Stromnetz verbunden werden. Dadurch werden die frequenzstützenden Eigenschaften der Generatoren vom Netz entkoppelt. Es ist zu erwarten, dass die Systemfrequenz des zukünftigen Energieversorgungsnetzes anfälliger auf Störungen ist, da die Entwicklung des Energiemixes sich auf Systemeigenschaften wie die Momentanreserve, welche in den kommenden Jahren abnehmen soll, auswirkt. Um auch in Zukunft eine stabile Frequenzregelung zu erreichen werden zusätzliche Frequenzregelmodi notwendig. Die Aufgabe der Frequenzregelung im System wird auf eine größere Zahl an Kraftwerken aufgeteilt. Einer dieser Frequenzregelmodi, eingeführt durch den Requirements for Generators Network Code (RfG NC), ist der Limited Frequency Sensitive Mode (LFSM). Dieser ist ein zusätzlicher Modus, der die Frequenz in Notfällen durch Wirkleistungsänderung des betreffenden Kraftwerks stützt. Eine Datenrecherche bildet die Basis für die Erstellung von drei Szenarien von 2020 bis 2050, um den Einfluss des sich verändernden Energiemixes auf die Systemeigenschaften zu untersuchen. Diese Szenarien unterscheiden sich vor allem durch den Anteil erneuerbarer Energiequellen im Energiemix, was zu unterschiedlichem Frequenzverhalten führt. In dieser Arbeit wird der LFSM programmiert und mittels eines Simulationsmodells, welches das kontinentaleuropäische Synchrongebiet darstellt, dynamisch simuliert. Dafür werden die Modellparameter so gewählt, dass das Simulationsmodell ein ähnliches Frequenzverhalten aufweist. Synchrongeneratoren, ausgestattet mit Turbinenreglern inklusive LFSM und Spannungsreglern, stellen die installierte Stromerzeugungskapazitäten im kontinentaleuropäischen Synchrongebiet dar. Die Effektivität des LFSM in Störungsfällen, durch welche Über- und Unterfrequenz -Abweichungen auftreten, wird untersucht und eine detaillierte Beschreibung des Verhaltens basierend auf den eingestellten LFSM Parametern wird vorgenommen. Der Einfluss der fortschreitenden Änderung des Energiemixes auf die Wirksamkeit des LFSM wird ebenfalls besprochen. LFSM wird in LFSM-O (overfrequency) und LFSM-U (underfrequency) unterteilt. Diese beiden Frequenzregelmodi sind nicht für die gleichen Kraftwerkstypen, welche durch den RfG NC klassifiziert werden,verpflichtend. Diese Tatsache führt zu unterschiedlichen teilnehmenden Frequenzregelleistungen. Der Einfluss dieser Differenz wird untersucht und ein Vergleich der Wirksamkeit der beiden Frequenzregelmodi in den verschiedenen Szenarien wird vorgenommen.