Investigation of the impact of synthetic inertia on the dynamics of power systems

Abstract

This thesis fundamentally deals with Small signal stability analysis of interconnected power systems influenced by decline in the total inertia of the grid.Frequency stability is considered as a main part of this analysis which is done on non-linear multi-machine two area power system model.In conventional power systems, big scale synchronous machines are referred to the major parts of the system which their moment of inertia play a vital role to keep power system stable against small disturbances. While the growing share of renewable-based distributed generation, such as wind and solar power plants, on power systems lead to decrease in utilizing the conventional synchronous-based generation but it causes fading effectiveness of the task of moment of inertia on the grid as a figure in lowering system dynamic [1]. In other words, as it will be shown in the following chapters, lowering of moment of inertia is terminated a power system with lower robustness and higher sensitivity to small disturbances [1]. On the other hand, the inherent uncertainty that exists in renewable-based generations, due to their dependence on the weather conditions, results to increase of occurrence of disturbances remarkably and frequently. This undetermined behavior in turn threatens the stability of the system further and makes the system more unreliable [2]. Since the moment of inertia inherently makes slowing down the response of the system to disturbances then it causes to save more time for primary frequency controls to take action [3]. The lower moment of inertia in the system the faster frequency actions are essential [3]. As will be discussed, in integrated power systems keeping the frequency of the system still stable against the disturbances, like variation of the loads, by the slow conventional control actions like droop control and automatic voltage control seems to be inefficient. Hence, the concept of synthetic inertia as a fast frequency response control technique is investigated how effective this solution can overcome the above mentioned rising challenges

Diese Arbeit befasst sich im Wesentlichen mit der Analyse der Kleinsignalstabilität von miteinander verbundenen Stromversorgungssystemen, die durch die Abnahme der Gesamtträgheit des Netzes beeinflusst werden. Die Frequenzstabilität wird als Hauptbestandteil dieser Analyse betrachtet, die an einem nichtlinearen zwei verbundenen Stromversorgungssystemen mit mehreren Maschinen durchgeführt wird. In konventionellen Stromversorgungssystemen werden große Synchronmaschinen auf die Hauptteile des Systems bezogen, deren Trägheitsmoment eine entscheidende Rolle spielt, um die Stabilität des Stromversorgungssystems gegen kleine Störungen zu gewährleisten. Der wachsende Anteil erneuerbarer dezentraler Stromerzeugung wie Wind- und Solarkraftwerke auf Stromversorgungssystemen führt jedoch zu einer geringeren Nutzung der konventionellen synchronen Stromerzeugung, was dazu führt, dass die Wirksamkeit der Aufgabe des Trägheitsmoments im Netz nachlässt als Figur bei der Senkung der Systemdynamik. Mit anderen Worten, wie in den folgenden Kapiteln gezeigt wird, wird das Fehlen eines Trägheitsmoments durch ein Stromversorgungssystem mit geringerer Robustheit und Empfindlichkeit gegenüber kleinen Störungen beendet. Andererseits führt die inhärente Unsicherheit, die bei Generationen auf erneuerbarer Basis aufgrund ihrer Abhängigkeit von den Wetterbedingungen besteht, dazu, dass das Auftreten von Störungen bemerkenswert und häufig zunimmt. Dieses unbestimmte Verhalten gefährdet wiederum die Stabilität des Systems weiter und macht das System unzuverlässiger. Da das Trägheitsmoment die Reaktion des Systems auf Störungen von Natur aus verlangsamt, spart dies mehr Zeit, damit die Primärfrequenzsteuerungen Maßnahmen ergreifen können. Je geringer das Trägheitsmoment im System ist, desto schneller sind Frequenzaktionen erforderlich. Wie noch erläutert werden wird, scheint es in integrierten Stromversorgungssystemen ineffizient zu sein, die Frequenz des Systems gegenüber Störungen wie Schwankungen der Lasten durch langsame herkömmliche Steueraktionen wie Statiksteuerung und automatische Spannungssteuerung stabil zu halten. Daher wird das Konzept der synthetischen Trägheit als schnelle Frequenzgang steuerungstechnik untersucht, wie effektiv diese Lösung die oben erwähnte steigende Herausforderung bewältigen kann.