Optimal Power System Damping through Local Actuation

Abstract

Für Wechselstrom-Versorgungsnetze stellen oszillierende Schwankungen in der Netzfrequenz eine erhebliche Bedrohung für den stabilen Betrieb dar. Die Dämpfung solcher Oszillationen und damit auch die Stabilität von solchen Stromnetzen beruht in hohem Maße auf großen mechanischen Trägheitsmomenten von Turbinen und Generatoren in lokal fokussierten Kraftwerken. Diese traditionellen Methoden der Netzfrequenzdämpfung werden allerdings zunehmend durch den wachsenden Anteil erneuerbarer Energieträger an ihre Grenzen gebracht. Allen voran sind hier die wachsenden Anteile von Wind- und Solarenergie zu erwähnen, die in verhältnismäßig vielen kleinen Anlagen mit geringem mechanischen Trägheitsmoment erzeugt werden. In der vorliegenden Arbeit wollen wir diese Transformation zu erneuerbaren Energieträgern vereinfachen und die Stabilisierung von Versorgungsnetzen verbessern, indem wir kritische Oszillationen nur durch geschickte Aktuierung einer einzelnen Netzwerkkomponente dämpfen. Um diesen Ansatz zu untersuchen, haben wir eine Simulationsumgebung aufgesetzt, die uns nicht nur erlaubt detaillierte Netzmodell zu simulieren, sondern auch Linearisierungen dieses Modells automatisch zu generieren. Mithilfe dieser Linearisierungen entwerfen wir aktive dämpfende Regler für die wichtigsten Oszillationsmodi des \KundurSystem. Anhand dieser resultierenden Reglern zeigen wir, dass diese Oszillationen der Netzfrequenz durch den gezielten Eingriff einer einzelnen Netzwerkkomponente effektiv gedämpft werden können. Die vorgestellten Regler bewerkstelligen diese Frequenzdämpfung basierend auf einiger weniger, sorgfältig ausgewählter Messgrößen von anderen Netzwerkkomponenten und wirken ausschließlich auf die Erregerspannung des lokalen Synchrongenerators. Dennoch wurde stets darauf geachtet, dass die verwendeten Entwurfsmethoden auch eine Anwendung auf Versorgungsnetzen mit Inverter-basierten Netzwerkkomponenten erlauben. Die erreichte Frequenzdämpfung soll die generellen Möglichkeiten lokaler Aktuierung aufzeigen und eine Referenz für weitere adaptive oder unabhängigere Ansätze darstellen.

Frequency oscillations in power grids pose a notable threat to the stability of such systems. The damping of such oscillations and, with it, the operational stability of power grids, relies to a great extent on large mechanical inertia of turbines and generators of concentrated power plants. However, the growth of the share of renewable energy resources in power systems, in particular wind and solar power which introduce more distributed, low-inertia plants, challenges this traditional way of counteracting grid frequency oscillations. In this thesis, we want to facilitate a further transformation towards larger shares of renewable energy resources and increase the stability of power systems by dampening hazardous frequency oscillations through clever actuation of just one single grid participant. To examine our approach, we develop a simulation framework which allows an interconnected analysis of high-fidelity grid models and its linear representations. With this framework, we design active damping controllers for the most important frequency oscillation modes of the \KundurSystem\ and show that the proposed controller, installed only in one single power plant, can drastically improve the oscillation behavior of the entire power grid. The proposed controllers use only a few carefully selected feedback signals from other grid participants and achieve their damping performance by actuating only on the excitation voltage of a synchronous generator. However, the used controller design methods also allow their application on inverter-based power plants. Therefore, the resulting damping performances demonstrate the general possibilities of local actuation and can be referenced as benchmarks for further more adaptive or independent approaches.