Development and Validation of a Hydropower Plant Simulation Model with Hybrid Control

Abstract

This master’s thesis examined the development and validation of the simulation model of a hy- brid controller in a hydropower plant equipped with a Kaplan turbine. The work was carried out for ABB Oy, Energy Industries division. Its objective was to develop, with DIgSILENT PowerFac- tory software, a simulation model that describes the operation of the hydropower plant in op- erating situations compliant with the current Nordic requirements for Frequency Containment Reserve (FCR). In the background of the work were the changed operating conditions of the Nordic power system, such as the increase in weather-dependent renewable production and the decrease in the inertia of the power system. These have tightened the technical perfor- mance and stability requirements of the reserve market. The objective of the work was to build and validate a simulation model consisting of ABB’s TG800 turbine governor and a Kaplan tur- bine against real measurement data, and to investigate how an energy storage system inte- grated into the simulation model can improve the plant’s performance in reserve production. The study also includes simulations that examined whether the integrated energy storage sys- tem can reduce guide vane and runner blade movements in FCR production. In the simulation model, the TG800 governor was modeled based on ABB’s documents, and in the implementa- tion of the Kaplan turbine model, existing literature and research articles were utilized. In the integrated hybrid model, DIgSILENT’s pre-built BESS template was utilized.

The validation was carried out in stages. In the first stage, the turbine model was validated by comparing the simulated generator active power with measured data by means of FCR-N and FCR-D site measurements. In the second stage, the turbine governor was validated, in which the simulated guide vane and runner blade positions were compared with measurement data. Fi- nally, the complete simulation model was validated so that the frequency signal of the FCR-N and FCR-D site measurements from the measurement data was fed into the model. The results of the validation showed that the Kaplan turbine model and the TG800 governor described the behaviour of the hydropower plant with sufficient accuracy for dynamic simulations, although some deviations were observed in individual operating situations. Also, the work investigated the influence of the battery energy storage system integrated into the simulation model on the plant’s performance and on the movements of its control mechanisms. Based on the results, hybrid control improved the performance of the hydropower plant from the perspective of the current FCR requirements. At the same time, the energy storage system significantly reduced the movements of the hydropower plant’s control mechanisms. In the two-hour FCR-N simula- tion, the guide vane movements decreased by 88.28% and the runner blade movements by 89.77%. As a conclusion, it was stated that hybrid control can help hydropower plants with slow dynamics fulfil the current FCR requirements and at the same time reduce mechanical wear and tear in their control mechanisms.

Tässä diplomityössä tarkasteltiin vesivoimalaitoksen hybridisäätäjän simulointimallin kehit- tämistä ja validointia Kaplan-turbiinilla varustetussa vesivoimalaitoksessa. Työ tehtiin ABB Oy, Energy Industries divisioonalle. Työn tavoitteena oli kehittää DIgSILENT PowerFactory -ohjelmis- tolla simulointimalli, joka kuvaa vesivoimalaitoksen toimintaa riittävän tarkasti nykyisten poh- joismaisten taajuusohjatun käyttöreservin (FCR) vaatimusten mukaisissa käyttötilanteissa. Työn taustalla on pohjoismaisen sähköjärjestelmän muuttuneet käyttöolosuhteet, kuten uusiutuvan sääriippuvaisen tuotannon lisääntyminen ja sähköjärjestelmän inertian pieneneminen. Nämä ovat kiristäneet reservimarkkinoiden teknisiä suorituskyky- ja vakausvaatimuksia. Työn tavoit- teena oli rakentaa ja validoida ABB:n TG800-turbiinisäätäjästä ja Kaplan-turbiinista koostuva simulointimalli todellista mittausdataa vasten sekä tutkia, miten simulointimalliin integroitu en- ergiavarasto voi parantaa laitoksen suorituskykyä reservituotannossa. Työhön sisältyy myös sim- ulointeja, joilla tutkittiin, voidaanko integroidun energiavaraston avulla vähentää johtopyörän ja juoksupyörän liikkeitä FCR-tuotannossa. Toteutetussa simulointimallissa TG800-säätäjä mallinnettiin ABB:n dokumenttien perusteella, ja Kaplan-turbiinimallin toteutuksessa hyödynnettiin olemassa olevaa kirjallisuutta ja tutkimusartikkeleita. Integroidussa hy- bridimallissa hyödynnettiin DIgSILENTin valmista BESS-pohjaa.

Validointi toteutettiin vaiheittain. Ensimmäisessä vaiheessa validoitiin turbiinimalli vertaamalla simuloitua generaattorin pätötehoa mitattuun dataan FCR-N- ja FCR-D-käyttöönottomittausten avulla. Toisessa vaiheessa validoitiin turbiinisäätäjä, jossa simuloituja johtopyörän ja juok- supyörän asentoja verrattiin mittausdataan. Lopuksi koko malli validoitiin yhtenä kokonaisuu- tena siten, että malliin syötettiin mittausdatasta FCR-N- ja FCR-D-käyttöönottomittausten taajuussignaalia. Validoinnin tulokset osoittivat, että Kaplan-turbiinimalli sekä TG800-säätäjä kuvasivat vesivoimalaitoksen käyttäytymistä riittävän tarkasti dynaamisia simulointeja varten, vaikka yksittäisissä käyttötilanteissa havaittiin joitakin poikkeamia. Lisäksi työssä tutkittiin simu- lointimalliin integroidun akkuenergiavaraston vaikutusta laitoksen suorituskykyyn ja sen säätömekanismien liikkeisiin. Tulosten perusteella hybridisäätö paransi vesivoimalaitoksen suo- rituskykyä nykyisten FCR-vaatimusten näkökulmasta. Samalla energiavarasto vähensi mer- kittävästi vesivoimalaitoksen säätömekanismien liikkeitä. Kahden tunnin FCR-N-simuloinnissa johtopyörän liikkeet vähenivät 88,28 % ja juoksupyörän liikkeet 89,77 %. Johtopäätöksenä todettiin, että hybridisäätö voi auttaa hitaan dynamiikan vesivoimalaitoksia täyttämään nykyiset FCR-vaatimukset ja samalla vähentämään mekaanista kulumista niiden säätömekanismeissa.