Novi decentralizovani pristup za primenu brze regulacije frekvencije u elektroenergetskim sistemima sa malom inercijom

Abstract

Predmet istraživanja doktorske disertacije je razvoj metodologije za brzu regulaciju frekvencije koja je bazirana na lokalnim merenjima i primenjiva u elektroenergetskim sistemima male inercije. Najvažniji doprinosi disertacije su sledeći: 1. Razvijena je originalna upravljačka strategija za višestepenu brzu regulaciju frekvencije koja obezbeđuje da više rezerve bude aktivirano u delovima sistema koji su više ugroženi poremećajem, a istovremeno uvažava i troškove usluge. U ovoj disertaciji je predložen jednostavan dizajn brze regulacije frekvencije koja koristi isključivo lokalno merene vrednosti frekvencije i brzine promene frekvencije. Predložena upravljačka strategija ne zahteva postojanje telekomunikacione infrastrukture, te predstavlja jednostavno i ekonomično rešenje. Na taj način su i izbegnuta kašnjenja usled prenosa upravljačkih signala, što doprinosi bržem reagovanju rezerve. Korišćenjem lokalno merenih vrednosti brzine promene frekvencije, postignuta je brža detekcija poremećaja i pravovremeno aktiviranje brzog frekvencijskog odziva. Predloženi višestepeni dizajn omogućava da aktivirana rezerva bude srazmerna poremećaju, uz uvažavanje prostornih karakteristika, kako raspoložive rezerve, tako i sistema u celini. Postojanje više stepeni, koji se aktiviraju pri različitim vrednostima brzine promene frekvencije, omogućava da najviše rezerve bude aktivirano bliže poremećaju, a prvenstveno u delovima sistema sa malom inercijom. Na taj način se smanjuje propagacija uticaja poremećaja na stabilnost sistema. Takođe, višestepenim dizajnom je postignuto da trošak za isporučenu rezervu bude manji. Simulacijama na jednomašinskom sistemu potvrđena je prednost višestepenog u odnosu na jednostepeno rešenje. Osnovni uvid u prostornu aktivaciju brze regulacije frekvencije nakon poremećaja dobijen je simulacijama na jednostavnom sistemu od tri oblasti, dok je simulacijama na sistemu jugoistočne Australije i IEEE sistemu sa 68 čvorova potvrđena primenljivost predložene upravljačke strategije. Dodatni doprinos ove disertacije je i predlog potencijalnog okvira tržišta za brzu regulacije frekvencije kao nove sistemske usluge čime se obuhvata ekonomski aspekt pružanja ove usluge. 2. Razvijeno je upravljanje HVDC sistema za pružanje usluge brze regulacije frekvencije. HVDC sistemi mogu brzo da promene aktivnu snagu, te predstavljaju značajan resurs koji može da učestvuje u brzoj regulaciji frekvencije. Oni mogu da pruže frekvencijsku podršku sistemu neposredno nakon poremećaja, a znatno pre nego što frekvencija dostigne minimalnu vrednost. Zbog toga je u ovoj disertaciji analizirana primena HVDC sistema u brzoj regulaciji frekvencije i razvijena kontrola bazirana na lokalnim merenjima frekvencije i brzine promene frekvencije. Predstavljeno je adaptivno upravljanje HVDC sistema koje uzima u obzir veličinu poremećaja i inerciju sistema u kom se desio poremećaj. Predložena upravljačka strategija se sastoji od dva koraka. U prvom koraku je odgovor HVDC sistema konstantan, dok se u drugom koraku prilagođava procenjenoj veličini poremećaja, čime se pruža adekvatnija podrška za očuvanje frekvencijske stabilnosti u kritičnim uslovima. Novina predloženog rešenja je u primeni adaptivnog koraka kojim je omogućeno da HVDC sistem, iako nema informacije o elektroenergetskom sistemu i poremećaju, efikasno proceni poremećaj i aktivira dovoljne rezerve kojom se obezbeđuje stabilnost sistema. Predložena upravljačka strategija je implementirana u MATLAB/Simulinku i verifikovana simulacijama na IEEE test sistemu sa 39 čvorova. 3. Razvijena je metodologija kojom se kvantifikuje vrednost resursa za brzu regulaciju frekvencije u zavisnosti od njegove lokacije. iv Iako se pokazalo da je lokacija resursa koji pruža uslugu brze regulacije frekvencije bitna u pogledu doprinosa poboljšanju frekvencije u sistemu sa heterogenom raspodelom inercije, nijedno istraživanje nije kvantifikovalo vrednost resursa u zavisnosti od lokacije. Performanse resursa zavise i od udaljenosti od mesta poremećaja, te je u ovoj disertaciji definisan kvantifikator pomoću kojeg se mogu porediti različite lokacije resursa za pružanje usluge brze regulacije frekvencije za određeni poremećaj i definisanu raspodelu inercije. Ovaj kvantifikator daje informaciju koja lokacija rezerve najviše doprinosi poboljšanju frekvencijske stabilnosti sistema i može pružiti koristan podatak operatoru prenosnog sistema u aktivnostima operativnog planiranja rada sistema. Pored definisanja kvantifikatora, u disertaciji je predložena i procedura kojom se porede različite lokacije resursa za brzu regulaciju frekvencije za listu poremećaja i određenu raspodelu inercije. Rezultati ove procedure mogu koristiti operatoru prenosnog sistema prilikom postupka alociranja rezerve za brzu regulaciju frekvencije za dan unapred kada je poznato angažovanje agregata u nekom vremenskom intervalu, a sa tim i očekivana raspodela inercije u sistemu. Još jedan od naučnih doprinosa ove disertacije je i metodologija za valorizaciju resursa za brzu regulaciju frekvencije koja nije ograničena na definisani poremećaj i radno stanje, kao ni na određenu raspodelu inercije u sistemu. Korišćenjem Monte-Carlo metode uvažen je veliki broj potencijalnih radnih stanja, raspodela inercije i poremećaja. Ova procedura može biti od značaja operatoru prenosnog sistema kao sredstvo poređenja resursa na različitim lokacijama sa aspekta planiranja razvoja sistema. Takođe, rezultati ove procedure mogu dati smernice investitorima na kojim lokacijama treba postaviti resurse za brzu regulaciju frekvencije, odnosno na kojim lokacijama su ovakvi resursi najznačajniji. Predložene procedure su primenjene na jednostavnom sistemu od tri oblasti i sistemu jugoistočne Australije koji su modelovani u MATLAB/Simulinku.

The subject of the doctoral dissertation is the development of a methodology for fast frequency control in low-inertia power systems based on local measurements. The most important contributions of the dissertation are the following: 1. An original control strategy for multi-stage fast frequency control has been developed to ensure that more reserves are activated in parts of the system that are more vulnerable to disturbance, considering service provision costs. This dissertation presents a simple design of a fast frequency control strategy that uses only local measurements of frequency and rate of change of frequency. The proposed control strategy does not require the existence of a telecommunications infrastructure and is a non-complex and cost-effective solution. In this way, delays due to the transmission of control signals are avoided, which contributes to a faster response of the reserve. By using the locally measured value of the rate of change of frequency, faster detection of disturbances and consequently timely activation of the fast frequency response is enabled. The proposed multi-stage design allows the activated reserve to be proportional to the disturbance while respecting the spatial characteristics of the available reserve and the system, thus minimizing the propagation of the disturbance impact on system stability. By having several stages that are activated at different values of the rate of change of frequency, it has been achieved that most reserves are activated closer to the disturbance and in low-inertia parts of the system. Also, the multi-stage control strategy prioritizes the use of a lowcost fast frequency response reserve. Simulations on a single-machine system confirmed the advantage of a multi-stage over a single-stage solution. The basic insight into the spatial activation of fast frequency control after a disturbance was obtained by simulations on a simple three-area system, while simulations on the system of southeast Australia and IEEE 68 bus system confirmed the applicability of the proposed control strategy. An additional contribution of this dissertation is a potential market framework for fast frequency control as a new ancillary service, which includes the economic aspect of providing this service. 2. The control of the HVDC system has been developed to provide fast frequency control service. HVDC systems can quickly change the active power and, as such, represent a significant potential resource that can participate in fast frequency control. They can provide frequency support to the system immediately after a disturbance, well before the frequency reaches a minimum value. Therefore, in this dissertation, an analysis of the application of the HVDC system in fast frequency control is provided and control based on local measurements of frequency and rate of change of frequency is developed. Adaptive control of the HVDC system is presented, which considers the size of the disturbance and the inertia of the system in which the disturbance occurred. The proposed control strategy consists of two steps. In the first step, the HVDC response is constant while in the second step, the HVDC response is adapted to the estimated size of disturbance providing more adequate support to preserve frequency stability during emergency conditions. The novelty of the proposed solution is in the adaptive step which enables the HVDC system, although there is no information on the power system and disturbance, to efficiently assess and activate sufficient reserves to ensure the stability of the system. The proposed control strategy was implemented in MATLAB/Simulink and verified by simulations on the IEEE 39 bus system. vi 3. A methodology has been developed to quantify the value of fast frequency control resources depending on their location. Although the location of a resource that provides a fast frequency control service is important regarding frequency improvement in a system with a heterogeneous inertia distribution, no research has quantified the value of control resources based on their location. The performance of resources also depends on the distance from the location of the disturbance. In this dissertation, a quantifier is defined by which different locations of resources for providing fast frequency control service for an exact disturbance and defined distribution of inertia can be compared. This quantifier can provide useful information to the transmission system operator in the operational planning activities, which would provide information on which location reserve contributes most to the improvement of the frequency stability of the system. In addition to defined quantifiers, the dissertation proposes a procedure that can compare resource locations based on their contribution to frequency stability for the list of disturbances and specific distribution of inertia. The results of this procedure may be useful to the transmission system operator during the reserve allocation procedure for the day ahead planning when the operating state is identified and thus the expected distribution of inertia in the system is known. Another scientific contribution of this dissertation is the methodology for the valorisation of resources that is not limited to specific disturbance and operating system state, as well as for specific distribution of system inertia. Using the Monte-Carlo method, a large number of potential operating states, inertia distributions, and disturbances are taken into account. This procedure can be important for transmission system operators as a means of comparing resources in different locations from the aspect of system development planning. It can answer where such resources are most important, as well as guide investors where to install fast frequency control resources. The proposed procedures were applied to a simple three-area system and a system of Southeast Australia modelled in MATLAB/Simulink.