HVDC inertia provision

Frekvensreguleringsmekanismene i tradisjonelle kraftsystemer er basert på de elektromekaniske karakteristikkene og den roterende svingmassen til synkronmaskinene i konvensjonelle kraftstasjoner. Etter hvert som fornybar energiproduksjon basert på solceller eller vindturbiner med kraftelektroniske energiomformere blir mer utbredt, vil færre kraftverk med synkronmaskiner holdes i drift. Dette vil medføre at den totale svingmassen i kraftsystemet vil reduseres, som videre kan føre til utfordringer med å opprettholde god frekvensregulering og tilstrekkelige stabilitetsmarginer. I det nordiske kraftnettet vil utfordrende driftssituasjoner kunne oppstå ved høy import og lav last i systemet. I slike situasjoner vil de fleste generatorene i magasin-baserte vannkraftverk stanses, og den ekvivalente svingmassen i systemet blir lav. Samtidig kan høyspente likestrømforbindelser (HVDC systemer) bidra til å unngå problemer med lav ekvivalent svingmasse, hvis kraftelektronikkomformerne i slike systemer kan reguleres til å bidra med virtuell svingmasse. Dette kan oppnås ved å la reguleringssystemet i omformerstasjonene emulere svingmassen og de generelle reguleringskarakteristikkene til en synkronmaskin. Hensikten med dette prosjektet har vært å utvikle metoder for å utnytte HVDC forbindelser til å støtte kraftsystemet i perioder med lav ekvivalent svingmasse fra synkrongeneratorer. For å oppnå dette, har prosjektet omfattet tre tekniske hovedaktiviteter: i) Med utgangspunkt i utfordringer relatert til kraftsystemdrift, har prosjektet arbeided med å utvikle metoder for å identifisere hvor i kraftsystemet det vil være viktigst å kunne bruke kraftelektronikkomformere til å støtte frekvensreguleringen og hvordan slik støtte kan gis på best mulig måte. Prosjektet har også finansiert et PhD-stipend ved KU Leuven i Belgia, som har vært fokusert mot tekno-økonomiske anlayser og utvikling av metoder for å identifisere verdien av virtuell svingmasse som en av flere mulig tilleggstjenester fra HVDC omformere. ii) Den andre hovedaktiviteten i prosjektet har vært orientert mot utvikling, analyse og sammenligning av ulike reguleringsstrategier for å bidra med virtuell svingmasse fra HVDC systemer. Analyser gjennomført i prosjektet har bidratt til å identifisere forskjeller i stabilitetskarakteritikker mellom ulike reguleringsstrategier, men har også demonstrert at alle de studerte reguleringsstrategiene kan tilpasses til å gi tilnærmet lik respons når de bidrar med virtuell svingmasse i et isolert kraftsystem der en kraftelektronikkomformer kan ha betydelig innvirkning på frekvenstransientene. Prosjektet har også bidratt til utvikling av metoder for å analysere og implementere reguleringsstrategier med virtuell svingmasse under ubalanserte nettspenninger og alvorlige feilsituasjoner. I tilknytning til aktivitetene omkring design av reguleringsstrategier har prosjektet også finansiert et PhD-stipend ved CentraleLille i Frankrike. Tema for PhD-studiet har vært utvikling av reguleringsstrategier og beskyttelsesmekanismer for HVDC omformere som kan etablere et lokalt nett i øydrift (dvs. som en "grid-forming" enhet), med eller uten funksjonalitet for å bidra med virtuell svingmasse. iii) Den tredje hovedaktiviteten i prosjektet har vært relatert til analyse av hvordan virtuell svingmasse og/eller "grid-forming" funksjonalitet fra HVDC omformere kan påvirke dynamikken og stabiliteten i kraftsystemet. Ved SINTEF har denne aktiviteten hovedakelig vært rettet mot utvikling av metoder for tilstandsroms-analyse av stabilitet i moderne kraftsystemer. Dette har omfattet utvikling av metoder for å utnytte detaljerte modeller av reguleringsstrategiene som studeres for å bidra med virtuell svingmasse i egenverdi-basert analyse av småsignal-stabilitet i kraftsystemer. Prosjektet har også finansiert et postdoktor-stipend ved NTNU, som har bidratt til å utvikle nye numeriske metoder for simulering og analyse av kraftsystemstabilitet. Som en del av prosjektet har det blitt gjennomført småskala laboratorieeksperimenter både ved SINTEF/NTNU og CentraleLille for å støtte forskningsaktivitetene relatert til design av reguleringssystemer for HVDC omformere og analyse av kraftsystemdynamikk. Flere ulike reguleringsstrategier har allerede blitt testet med skalerte modeller av HVDC omformere for å verifisere respons under både normale driftssituasjoner og under kraftsystemfeil og andre alvorlige transiente forstyrrelser. For å evaluere virkningen av virtuell svingmasse i et større kraftsystem har det blitt gjennomført Power-Hardware-in-the-Loop (P-HiL) testing som har inkludert sanntids-simulering av en forenklet modell for det Nordiske kraftsystemet.

Forskningsaktivitetene i prosjektet har vært rettet mot utvikling av metoder for å designe og analysere reguleringsstrategier for kraftelektronikkomformere som kan bidra med virtuell svingmasse i kraftsystemet. Dette omfatter også matematiske modeller for å analysere mulig økonomisk gevinst ved å utnytte kapasitet i høyspente likestrøm (HVDC)-forbindelser for å tilby virtuell svingmasse og andre støttefunksjoner for kraftsystemet. Slike modeller kan utnyttes til å prioritere bruken av HVDC-forbindelser, og bidra til å redusere kostnader med å sikre stabilitet i kraftsystemet. Videre har prosjektet bidratt til utvikling av metoder for stabilitetsanalyse i kraftsystemer med stor andel kraftelektronikk-basert produksjon. For å utvide bruksområdet for reguleringsstrategier som gir virtuell svingmasse, har prosjektet også utviklet nye metoder for å håndtere feilsituasjoner og ubalanserte trefasespenninger i kraftnettet. Selv om prosjektet har vært rettet mot HVDC systemer, kan flere av metodene som er utviklet også være relevante for andre bruksområder. De mulige effektene av prosjektet på lang sikt er derfor først og fremst knyttet til at forskningsaktivitetene har vært en del av en omfattende internasjonal innsats for å håndtere utviklingen mot stor andel kraftelektronikk-basert produksjon i kraftsystemet. Behovet for slik forskning og kunnskapsutvikling har økt gradvis gjennom storskala utvikling av fornybar energiproduksjon basert på vindturbiner og solceller, og har i Europeisk sammenheng blitt ytterligere kritisk i dagens energisituasjon. I Norsk sammenheng kan det forventes at den samme kunnskapen også vil bli nødvendig for å muliggjøre oppfyllelse av politiske mål om utnyttelse av fornybar energi, eksempelvis knyttet til utvikling av 30 GW havvindkapasitet. Virkningene av prosjektet er ellers i stor grad knyttet til kunnskapsutviklingen som har blitt mulig ved gjennomføring av forskningsaktivitetene. Siden metoder og teknologi for å håndtere en stor andel kraftelektronikk-basert produksjon har blitt viktig for å støtte utviklingen av kraftsystemet, har også den internasjonale forskningsaktiviteten innen relaterte temaområder økt sterkt i løpet av prosjektperioden. Dette prosjektet har samtidig vært det største forskningsinitiativet i Norge relatert til bruk av kraftelektronikkomformere for å stabilisere kraftsystemer med synkende fysisk svingmasse. Prosjektet har dermed gjort det mulig for de involverte forskningsgruppene å holde seg oppdatert på en forskningsfront under rask utvikling og samtidig bidra med resultater av internasjonal interesse innenfor prioriterte temaområder. Prosjektet har også støttet et betydelig internasjonalt samarbeid, og aktiviteten i prosjektet har vekket interesse fra flere internasjonale bedrifter. Kunnskapen opparbeidet gjennom prosjektet har også blitt en viktig basis for forskningsaktiviteter i andre pågående prosjekter av nasjonal interesse, eksempelvis Grønn plattform-prosjektet "OceanGrid Research."

Future power systems are facing new challenges when traditional thermal generation units are replaced by renewable energy sources with power electronic grid interfaces. In central Europe, an increasing share of wind and PV generation is leading to periods with few synchronous generators in operation, and the resulting low equivalent rotating inertia in the grid can introduce stability problems. Scenarios with low inertia, leading to challenges with frequency control and grid stability, are already requiring attention in the transmission networks in UK and Ireland. In the Nordic countries of Europe, low equivalent inertia is expected to produce potential issues within 2025. Different control schemes have been proposed for providing virtual inertia from power electronic converters distributed generation and other low voltage applications. Especially HVDC converters may represent an effective solution for alleviating issues caused by decreasing rotating inertia due to the significant installed power rating. However, identification of the most suitable implementation methods for HVDC converters with different topologies is still an open issue. This project will develop methods for assessing the value of and the requirements for inertia emulation from HVDC transmission schemes. Furthermore, control strategies suitable for inertia emulation by HVDC converter stations with different power converter topologies will be developed, and their performance and stability characteristics will be analysed. Detailed models of HVDC transmission schemes with inertia emulation capability will also be developed for analysing the influence on the stability of large-scale power systems. The methods and techniques resulting from the research activities within the project will support the development of "smarter transmission systems" in a future context with limited physical inertia from traditional generation plants.