Power System Inertia
| dc.date.accessioned | 2019-06-14T09:08:11Z | |
| dc.date.available | 2019-06-14T09:08:11Z | |
| dc.date.issued | 2019 | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-20190510451 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/11261 | |
| dc.description.sponsorship | Das dieser Dissertation zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 0325796A gefördert. | ger |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights | Namensnennung 4.0 International | * |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | * |
| dc.subject | Power system stability | eng |
| dc.subject | inertia | eng |
| dc.subject | converter control | eng |
| dc.subject | harmonic stability | eng |
| dc.subject | wind turbine control | eng |
| dc.subject | Energiesystemstabilität | ger |
| dc.subject | Momentanreserve | ger |
| dc.subject | Stromrichter | ger |
| dc.subject | Erneuerbare Energien | ger |
| dc.subject | harmonische Stabilität | ger |
| dc.subject | Windenergieanlage | ger |
| dc.subject | Regelungstechnik | ger |
| dc.subject.ddc | 620 | |
| dc.title | Power System Inertia | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dcterms.abstract | System inertia is the instantaneous power reserve that stabilizes power systems after large-scale disturbances. It declines with increasing renewable generation, causing an increased risk of black-out unless action is taken. Providing additional inertia will be necessary to maintain security of supply at a reasonable level. To solve the problem of reduced inertia in a reliable and cost-efficient way, this thesis first systematically describes requirements on system level, as basis for the following evaluation of different technological solutions and control schemes. System-level studies of the system split scenario are conducted to derive requirements for inertia. Different technologies, i.e. battery storage, wind turbines and synchronous condensers are compared with respect to their costs, and inertia from wind turbines is evaluated in detail. Two distinct inverter control schemes that provide emulated inertia are designed and extensively compared: extended current control and virtual synchronous machine. Detailed inverter models are described and applied for a robust control design that considers the frequency range from synchronization dynamics up to the filter resonance. Providing additional inertia with wind turbine rotors or from additional battery storage modules is potentially competitive with synchronous condensers. Cost for the inertia reserve are estimated to be between 86 million € per year and 2 billion € per year for Germany, depending on robustness requirements and with technological uncertainty. The detailed analysis of control schemes reveals that the carefully designed extended current control is grid-forming. However, it involves contradictory design aspects, which cause high effort for obtaining robustness. Virtual synchronous machine control has superior transient performance and is straightforward to design. Both control schemes can stabilize a system with 100% renewable generation after the most severe system split events. For the investigated technological options, potentially attractive directions for cost optimization are described. For example, the DC-coupled additional battery storage in renewable power plants is an attractive solution: At potentially competitive cost, it facilitates renewable-only generation situations and integrates seamlessly into the existing system. Offering additional services should be considered to generate further revenue. | eng |
| dcterms.abstract | Die Momentanreserve stabilisiert elektrische Netze nach Systemauftrennungen durch augenblicklich verfügbare Leistung. Sie nimmt mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Kraftwerke ab, so dass ein erhöhtes Risiko für Stromausfälle entsteht, wenn keine Gegenmaßnahme ergriffen werden. Um die Versorgungssicherheit in Zukunft auf einem angemessenen Niveau zu halten ist die Bereitstellung zusätzlicher Momentanreserve notwendig. Um das Problem der reduzierten Momentanreserve zuverlässig und kostengünstig zu lösen, werden in dieser Arbeit zunächst systematisch Anforderungen auf Systemebene erarbeitet. Diese dienen als Grundlage für die anschließende Bewertung verschiedener technischer Lösungen und Regelungsverfahren. Es werden Studien auf Systemebene durchgeführt, um die Anforderungen an die Momentanreserve abzuleiten. Verschiedene Technologien wie Batteriespeicher, Windkraftanlagen und Phasenschieber werden hinsichtlich ihrer Kosten verglichen. Die Nutzung der Rotorträgheit von Windenergieanlagen wird detailliert untersucht. Zwei verschiedene Stromrichter-Regelungsverfahren, die Momentanreserve bereitstellen, werden entworfen und umfassend verglichen: Erweiterte Stromregelung und virtuelle Synchronmaschine. Detaillierte Stromrichtermodelle werden beschrieben und für robuste Regelungsentwürfe genutzt, die den Frequenzbereich von der Synchronisation bis zur Filterresonanz berücksichtigen. Die Bereitstellung zusätzlicher Momentanreserve mit Windkraftanlagen oder aus zusätzlichen Batteriespeicher-Modulen ist potenziell konkurrenzfähig mit Phasenschiebern. Die Kosten für die Momentanreserve werden für Deutschland je nach Robustheit und mit technischer Unsicherheit zwischen 86 Mio. € pro Jahr und 2 Mrd. € pro Jahr geschätzt. Die detaillierte Analyse der Regelungsverfahren zeigt, dass die sorgfältig entworfene erweiterte Stromsteuerung netzbildend ist. Aufgrund von teilweise widersprüchlichen Regelzielen ist jedoch ein hoher Aufwand notwendig um ein angemessene Robustheit zu erreichen. Die virtuelle Synchronmaschine ist mit geringem Aufwand auszulegen und weist Vorteile im Verhalten auf. Beide Regelungsverfahren können ein System mit 100% erneuerbaren Kraftwerken auch nach schwerwiegenden Systemauftrennungen stabilisieren. Für die untersuchten technischen Lösungen werden potenziell vielversprechende Ansätze zur Kostenoptimierung beschrieben. So ist beispielsweise der DC-gekoppelte zusätzliche Batteriespeicher in regenerativen Kraftwerken eine attraktive Lösung, denn er ermöglicht bei potenziell wettbewerbsfähigen Kosten die ausschließliche Versorgung mit erneuerbaren Energien und integriert sich nahtlos in das bestehende System. Zusätzliche Dienstleistungen könnten bereitgestellt werden, um weitere Einnahmen zu erzielen. | ger |
| dcterms.accessRights | open access | ger |
| dcterms.creator | Duckwitz, Daniel | |
| dcterms.dateAccepted | 2019-03-22 | |
| dcterms.extent | XV, 179 Seiten | |
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik/Informatik | ger |
| dc.contributor.referee | Hoffmann, Clemens (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Lens, Hendrik (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Fischer, Boris (Dr.) | |
| dc.relation.projectid | 0325796A | |
| dc.subject.swd | Trägheit | ger |
| dc.subject.swd | Erneuerbare Energien | ger |
| dc.subject.swd | Windkraftwerk | ger |
| dc.subject.swd | Stromrichter | ger |
| dc.subject.swd | Regelungstechnik | ger |
| dc.subject.swd | Netzstabilität <Elektrische Energietechnik> | ger |
| dc.title.subtitle | Derivation of Requirements and Comparison of Inertia Emulation Methods for Converter-based Power Plants | eng |
| dc.type.version | publishedVersion |
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