Enhancing frequency stability of islanded microgrids via load step pre-announcement and bang-bang controller

Abstract

Die zunehmende Integration von erneuerbaren Energien in das Mittelund Niederspannungsnetz in den letzten Jahren führt zu Herausforderungen an die Energiesysteme in Bezug auf die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Stabilität. Verschiedene Aspekte von Microgrids, insbesondere ihre Architektur, dezentrale Stromerzeugung, Speicher und Regelungstechniken, werden global erforscht, da sie ein großes Potential bezüglich der Integration dezentraler Stromerzeugung in elektrische Netze bergen und damit eine Verringerung des Treibhausgasausstoßes bei zugleich zuverlässiger und sicherer Energieversorgung ermöglichen. Microgrids können als dezentrale elektrische Energiesysteme beschrieben werden, die dezentrale Stromerzeugung, lokale Lasten und Speicher umfassen. Sie können sowohl parallel zum Netz als auch als Insel betrieben werden. Frequenzstabilität ist dabei ein häufiges Problem, vor allem in Inselnetzen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung einer Frequenzregelungsverfahren für Inselnetze. Aufgrund der geringen Trägheit von Inselnetzen im Vergleich zu großen konventionellen Stromnetzen sind Frequenzänderungen schneller, wenn es ein Leistungsungleichgewicht zwischen Erzeugung und Last in Inselnetzen gibt. Frequenzregelung ist eine wichtige Aufgabe in großen Stromnetzen. In dieser Arbeit wird ihre Umsetzung in einem Inselnetz untersucht. Allerdings ist die Frequenzregelung ohne die Unterstützung des Versorgungsnetzes schwierig umzusetzen. Es wird ein zusätzliches Regelungsverfahren, einschließlich Load Step Pre-announcement und eines Bang-Bang-Controllers, entwickelt, um die Frequenzregelung zu unterstützen und die Frequenz in Inselnetzen stabil zu halten. Das Konzept besteht darin, Wirkleistungsänderungen zuvorzukommen, die zu einem Ungleichgewicht zwischen Last und Erzeugung führen, indem sie künstlich verzögert werden, so dass dynamische Frequenzabweichungen, die dadurch verursacht werden, geglättet werden. Die Wirkleistung des Generators wird reguliert und somit kann die Frequenzregelung in Inselnetzen unterstützt werden. In dieser Arbeit wird ein Modell eines Inselnetzes, bestehend aus einem Generator, einer Photovoltaik-Anlage und einer kumulierten Last als Fallstudie simuliert. Die Ergebnisse der dynamischen Simulationen des Inselnetzes werden vorgestellt und analysiert. Die Unterschiede zwischen den Inselnetzen mit und ohne das vorgeschlagene Regelungsverfahren werden aufgezeigt. Die Machbarkeit und Effektivität von Load Step Pre-announcement und Bang-Bang-Controller werden durch Simulationsergebnisse validiert. Die Werte der beiden Zeitparameter des Regelungsverfahrens werden für verschiedene Fälle optimiert. Eine Diskussion über noch bestehende Probleme wird geführt. Dazu zählen der Einuss einer Frequenzmessungsverzögerung auf das vorgeschlagene Regelungsverfahren und Frequenzoszillation, die durch Wiederverbindung von verteilten Erzeugungsanlagen verursacht werden kann.

Regarding high penetration of distributed energy resources into the medium and low voltage level, power systems undergo challenges with respect to their reliability, security and stability. Aspects of microgrids, including their architecture, distributed generation, storage, and control schemes, are widely researched across the globe, as they have a promising future to integrate distributed energy resources into power systems, thereby reducing greenhouse gas emissions and increasing the reliability and security of power systems with a large amount of distributed generation. Microgrids can be described as decentralized electrical power systems comprising distributed generation, local loads and storage. They can be operated both in grid-parallel and islanded mode. Frequency stability is a common issue to be addressed, especially in islanded microgrids. The focus of this thesis is the development and investigation of a control method for islanded microgrids to regulate their frequency. In islanded mode, microgrids tend to have a low inertia in comparison to large traditional power systems, especially when there is a high penetration of power electronic interfaced power sources in the microgrid. Thus, frequency changes more quickly when there is a power mismatch between generation and demand. In large power systems, frequency control is an important task. For this thesis, its implementation in islanded microgrids to regulate and maintain the frequency is investigated. However, frequency control is much more difficult to be achieved without the support from the utility grid. An additional control method, including load step pre-announcement and a bang-bang controller, is developed in this thesis to assist frequency control to keep frequency stable within islanded microgrids. The concept of the proposed control method is to anticipate active power changes, which result in imbalances between load and generation, by proactively delaying them for a specific time interval, so that any dynamic effect on frequency deviations caused by them is smoothed. Active power infeed of conventional generation based on directly coupled rotating machines can be controlled, and thus, frequency control in islanded microgrids is supported. In this thesis, a simulation model of an islanded microgrid, including a conventional generator, a photovoltaic generator and a lumped load, is used as a study case. Dynamic simulation results of the islanded microgrid are presented and analyzed. The results between the islanded microgrids with and without the proposed control method are compared. The feasibility and effectiveness of the implementation of load step pre-announcement and bang-bang controller are validated using simulation results. Set values of the two time parameters, preset and total time, of the control method regarding different cases are optimized. A discussion regarding still existing problems is given. This includes the influence of frequency measurement time delay on the proposed control method as well as frequency oscillation that may be caused by repeated reconnection of distributed generation.