Identification of the self regulating effect of power systems using dynamic system states

Abstract

Die Trägheit des Stromnetzes nimmt mit zunehmendem Ersatz konventioneller Kraftwerke durch erneuerbare, umrichterbasierte Erzeugungsanlagen ab. Zusätzlich werden vermehrt ungeregelte Lasten (z.B. Asynchronmotoren) durch Antriebe mit Frequenzumrichtern ersetzt, was zu einer Verringerung des Selbstregeleffekts (SRE) führt. Diese Änderungen stellen große Herausforderungen für den Netzbetrieb dar und begünstigen die Anfälligkeit des Stromnetzes auf Frequenzinstabilitäten. In dieser Arbeit sollen die etablierten Planungswerte für den SRE von 1-2 %/Hz hinterfragt und die Notwenigkeit einer Anpassung untersucht werden. Darüber hinaus werden Muster oder Korrelation des SRE mit den vorherrschenden netzbetrieblichen Rahmenbedingungen untersucht, um die Vorhersagbarkeit des SRE für zukünftige Systemstudien zu verbessern. Für diesen Zweck wurden Daten von Frequenzereignissen, verursacht durch Leistungsungleichgewicht größer als 1 GW, gesammelt und aufbereitet. Ein Top-Down-Ansatz mit drei unterschiedlichen Methoden wird verwendet, um den SRE und die Zusammensetzung der Leistungs-Frequenz Charakteristik des Netzes (K-Faktor) zu ermitteln. Die „RoCoF-Nulldurchgangsmethode“ und die „Fixe-Stützstellen-Methode“ liefern trotz ihrer einfachen Konzeption tendenziell unplausible Werte. Die „Optimierungsmethode“ weist verglichen zu den anderen Methoden eine erhöhte Robustheit und bessere Eignung zur Bestimmung des SRE auf. Mittels einer statistischen Analyse kann ein SRE größer als 1 %/Hz bestätigt werden. Des Weiteren wurde keine Abnahme des Selbstregeleffekts innerhalb des untersuchten Zeitbereichs festgestellt. Ebenso wurde kein Muster oder Korrelation des Effekts mit der Jahreszeit, dem Wochentag oder der Tageszeit entdeckt. Im Rahmen dieser Arbeit wird auch gezeigt, dass der K-Faktor typischerweise größer ist als in der Design Hypothese des kontinentaleuropäischen (CE) Verbundnetzes. Dies lässt sich durch eine Übererfüllung der Primärregelreserve und eines potenziell höheren Selbstregeleffekts erklären und bestätigt somit die Design Hypothese als Worst-Case-Annahme. Die Komposition des K-Faktors hängt stark von der Dynamik der wichtigsten beeinflussenden Komponenten ab. Mit dem vereinfachten dynamischen Ansatz kann der komplexe Reaktionsmechanismus eines Verbundnetzes möglicherweise nicht perfekt abgebildet werden. Für zukünftige Studien wird empfohlen die Dynamik des Selbstregeleffekts und der Primärregelreserve gegebenenfalls anzupassen. Abschließend bekräftigen diese Erkenntnisse ebenfalls den Bedarf einer genaueren und kontinuierlichen Überwachung der Primarregelreserven, um den SRE genauer zu bestimmen.

The inertia of power systems reduces as conventional power plants are increasingly replaced by renewable, power electronics interfaced generation. In addition, more uncontrolled loads (e.g. asynchronous motors) are being replaced by drives with frequency converters, resulting in a lower self regulating effect (SRE). These reductions lead to several challenges in power system operation and make power systems more prone to frequency instabilities. This thesis questions the established planning values for the SRE of 1-2 %/Hz and investigates the necessity for adjustment. Furthermore, patterns or correlations of the effect with prevailing conditions are investigated to improve the predictability. Data from frequency events caused by power imbalances larger than 1 GW were collected and processed. A top-down approach with three different methods is used to identify the SRE and the composition of the power system frequency characteristic (K-factor). The RoCoF zero crossing method and the fixed supporting points method can be considered as simple identification approaches, however, they tend to provide implausible SRE values in some cases. The optimal fit method appears to be more robust and suitable to estimate the SRE. Based on statistical analysis a SRE larger than 1 %/Hz can be confirmed. Furthermore, no decrease of the SRE within the analyzed time interval of the events was found. Moreover, no patterns or correlations of the SRE with season, day of the week and time of the day has been identified. Within this thesis it has also been shown that the overall K-factor is typically higher compared to the Design Hypothesis of the Continental European (CE) power system. This can be explained by an over-fulfillment of the Frequency Containment Reserve (FCR) and a potentially higher SRE and confirms that the Design Hypothesis serves well as a worst case assumption. The decomposition of the K-factor depends on the dynamics of the main influencing components. The simple dynamics approach used may not perfectly match the complex response mechanism and may need to be adjusted for further studies. In conclusion, there is a strong need for accurate monitoring of FCR activation to determine the SRE more precisely.