Microgrid control optimization : Optimum frequency control strategy for a different generation- and load scenarios

Abstract

Global warming forces the energy sector to move away from fossil fuels and towards renewable energy sources. The increasing number of inverter-based renewable energy resources decreases the amount of inertia coupled into power systems, affecting the power systems' ability to with-stand the frequency deviations. This change has a more significant effect on microgrids than utility grids due to the already lower inertia connected to the power system. This thesis studies the change due to the decreasing inertia to help to optimize the frequency control for an is-landed microgrid with high IBG penetration. It is done by studying the frequency behavior in three different microgrids. These microgrids differ from each other based on the share of syn-chronous and inverter-based generation. A simulation software called PSCAD is utilized to create the models and simulate different scenarios. The models are developed based on the IEEE 14 bus system, which is, in this case, considered a general microgrid. On the generation side, three generation patterns are considered. These patterns vary from each other based on the share of synchronous generation and inverter-based generation. All the simulation cases have a battery storage system implemented into the microgrid. The frequency behavior is observed by creating four different events. These events are recreated in four different conditions, including the ideal condition. Based on the results gained in this study, the inverter-based generation units can support the microgrid frequency almost at the same level as a synchronous generator. However, it is highly unpredictable and does require alternative generation units as a backup in case of absent renewable energy. This study is also used to create a modular tool for the Wärtsilä to utilize to analyze the frequency behavior in possible future and existing microgrids. However, this study shows that this model combined with the PSCAD is not suitable for business use due to the unnecessarily long simulation times.

Ilmaston lämpeneminen pakottaa energiasektorin siirtymään pois fossiilisista polttoaineista kohti uusiutuvia energialähteitä. Invertteripohjaisten uusiutuvien energiavarojen lisääntyminen vähentää sähköverkkoisin kytkeytyvän inertian määrää, mikä vaikuttaa niiden kykyyn sietää muutoksia taajuudessa. Tällä muutoksella on merkittävämpi vaikutus mikroverkkoihin kuin pe-rinteisiin sähköverkkoihin jo ennestään pienemmän inertian vuoksi. Tässä diplomityössä tutki-taan inertian pienenemisestä johtuvaa muutosta, joka auttaa optimoimaan taajuuden säädön saarekekäytössä oleville mikroverkoille, jossa on korkea IBG-penetraatio. Se tehdään tutkimalla taajuuskäyttäytymistä kolmessa eri mikroverkossa. Nämä mikroverkot eroavat toisistaan tahti-generaattoripohjaisen ja invertteripohjaisen tuotannon osuuden perusteella. Mallien luomiseen ja eri skenaarioiden simulointiin käytetään PSCAD-nimistä simulointiohjelmistoa. Mallit on kehi-tetty perustuen IEEE 14 -solmupisteenjärjestelmään, jota tässä tapauksessa pidetään yleisenä mikroverkkona. Tuotannon puolella tarkastellaan kolmea eriä tuotanto rakennetta. Nämä mallit eroavata toisistaan tahtigeneraattoripohjaisen tuotannon ja invertteripohjaisen tuotannon osuuden mukaan. Kaikissa simulaatiotapauksissa mikroverkkoon on liitettynä akkukäyttöinen energiavarasto. Taajuuskäyttäytymistä tarkkaillaan luomalla neljä erilaista tapahtumaa mikro-verkkoon. Nämä tapahtumat luodaan uudelleen neljässä eri olosuhteissa, mukaan lukien ihan-teellinen tilanne. Tässä diplomityössä saatujen tulosten perusteella invertteripohjaiset tuotan-toyksiköt voivat tukea mikroverkon taajuutta lähes samalla tasolla kuin tahtigeneraattorit. Ne ovat kuitenkin erittäin arvaamattomia ja vaativat lisäksi vaihtoehtoisia tuotantoyksiköitä, jos uu-siutuvaa energiaa ei ole saatavilla. Tämän diplomityön avulla luodaan myös Wärtsilälle modu-laarinen työkalu, jonka avulla voidaan analysoida taajuuskäyttäytymistä mahdollisissa tulevissa ja olemassa olevissa mikroverkoissa. Tämä tutkimus kuitenkin osoittaa, että tämä PSCAD malli ei sovellu yrityskäyttöön tarpeettoman pitkien simulointiaikojen vuoksi.