Transientstabilitet-implementering ved BESS for offshore mikronett i øymodus

Abstract

Konvensjonelle mikronett har tradisjonelt sikret spenning- og frekvensstabilitet med spinning-reserve fra roterende maskiner ved forstyrrelser i nettet. En økende andel av ikke-roterende energiproduksjon påvirker kraftsystemers pålitelighet og stabilitet. Batterienergilagringssystem (BESS = Battery energy storage system) kan sees på som en verdifull og pålitelig kilde som kan gi flere fordeler, fleksibilitet og stabilitet til et mikronett. Ved bruk av et BESS i et mikronett kan energi trekkes eller tilføres et nett ved forstyrrelser for å sikre spenning- og frekvensstabilitet. Denne rapporten undersøker flere konvertermodeller og kontrollstrategier for å finne en passende BESS-topologi som er i stand til å bidra med spinning-reserve ved store forstyrrelser i et mikronett i øymodus uten annen energiproduksjon. Rapporten kan deles i to. Dens første formål er å designe et BESS som kan implementeres i et mikronett. Dens andre formål er å undersøke hvordan et BESS kan sikre transient spenning- og frekvensstabilitet for store forstyrrelser i et mikronett i øymodus. For den første delen av oppgaven er et to-stegs BESS designet og simulert i MATLAB Simulink. BESS-stegene er testet separat og sammensatt for varierende lastbetingelser. Resultatene viser at systemet er stabilt for drift i begge retninger. I tillegg kan systemet synkroniseres til eksternt nett på en tilfredstillende og effektiv måte. Resultatene indikerer også at systemet tåler lastbetingelser langt utenfor sin tiltenkte nominelle verdi. En Fast Fourier transform-analyse er utført for lastbetingelser rundt tiltenkt nominell verdi for å verifisere ytelsen til LCL filteret som er en kritisk komponent. Resultatene fra analysen viser at filteret er i stand til å dempe svitsjeharmoniene til et akseptabelt nivå i henhold til IEEE-standardene. I den andre delen av oppgaven er det bygget en simuleringsmodell i MATLAB Simulink for å undersøke hvordan spenning- og frekvenstransienter forutsaket av lastendringer kan reduseres ved effekttilførsel av et BESS. Systemet ble testet for et gitt lastscenario for å se hvordan økt tilførsel av effekt per tidsenhet fra et BESS påvirket spenning- og frekvenstransientene. Resultatene viser at spenning- og frekvenstransientene reduseres for høyere effekter tilført per tidsenhet. Ut fra resultatene undersøkes en grense for hvor mye effekt per tidsenhet som må tilføres for det gitte lastscenariet for å oppfylle kravene til transient spenning- og frekvensstabilitet fra IEC 61892 standardene.

Conventional microgrids have traditionally secured voltage- and frequency stability by using spinning reserve from large rotating machines when a large electrical disturbance in the grid occurs. An increasing amount of non-rotating energy production in the grid influence a power system's reliability and stability. A battery energy storage system (BESS) can be viewed as a valuable and reliable source of energy that can provide several advantages, such as flexibility and stability to a microgrid. By implementing a BESS in a microgrid energy can be supplied or consumed from the grid in the event of electrical disturbances to ensure voltage- and frequency stability. This thesis examines several converter models and control strategies to find a suitable BESS-topology providing spinning reserve in the event of a large electrical disturbance in an islanded microgrid with no other means of generation. The first purpose of the thesis is to design a BESS that can be implemented in a microgrid. The second purpose is to investigate how a BESS can secure transient voltage- and frequency stability for large disturbances in an islanded microgrid. In the first part of this thesis a two-stage BESS is designed and simulated in MATLAB Simulink. The BESS-stages are tested separately and together for varying load conditions. The results show that the system is stabile for charging and discharging mode. In addition, the system can be synchronized to an external grid in a satisfactory and efficient way. The results indicate also that that the system can handle load conditions well outside its nominal range. A \textit{Fast Fourier transform}-analysis is conducted for load conditions around intended nominal values to verify the performance of the LCL-filter which is a critical component of the BESS. The results from the analysis show that the filter is capable of dampening switching harmonics to an acceptable level in accordance to IEEE-standards. For the second part of the thesis a simulation model is built in MATLAB Simulink to examine how voltage- and frequency transients caused by a large electrical disturbance can be reduced by increased power supplied from the BESS. The system was tested for a given load condition to see how increased power supply per unit of time from a BESS influenced voltage- and frequency transients. The results indicate that said transients are reduced when a larger supply of power is implemented. From the results, a limit for how much power must be supplied for the given load condition to comply with regulations for transient voltage- and frequency stability in IEC 61892 standards, is achieved.