Geri Dön

Sentetik atalet destekli rüzgar türbinlerinin frekans tepkisi üzerindeki etkilerinin modellenmesi, kontrolü ve dinamik analizi

Modelling, control and dynamic analysis of synthetic inertia-supported wind turbines' impact on frequency response

PDF İndir

  1. Tez No: 931693
  2. Yazar: MERTCAN ACAR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. VEYSEL MURAT İSTEMİHAN GENÇ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 191

Özet

Bu tez çalışmasında, Rüzgâr Enerjisi Santrallerinden (RES) sağlanan atalet desteğinin, Elektrik Güç Sistemlerinin (EGS) primer frekans tepkisi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Çalışma için ihtiyaç duyulan kullanıcı tanımlı modeller, PowerFactory/DIgSILENT güç sistemi analiz yazılımının dinamik simülasyon dili (Dynamic Simulation Language-DSL) kullanılarak oluşturulmuş ve dinamik analizler de aynı yazılım ortamında gerçekleştirilmiştir. Dinamik analizler sonucunda elde edilen bulgular, RES'lerin EGS frekans tepkisi üzerindeki etkilerini karşılaştırmalı bir şekilde değerlendirmek amacıyla yorumlanmış ve gelecekteki çalışmalara yönelik öneriler sunulmuştur. Yenilenebilir Enerji Kaynaklarına (YEK) dayalı üretim birimleri, teknolojik altyapıları ve enerji kaynaklarının karakteristik özellikleri bakımından Senkron Generatör (SG) temelli konvansiyonel üretim kaynaklarından belirgin farklılıklar göstermektedir. Bu farklılıklar, EGS'nin kararlı çalışma koşullarının sağlanması ve işletilmesi açısından birtakım zorlukları beraberinde getirmektedir. YEK'lere dayalı üretim artışının EGS kararlılığı üzerindeki en önemli ve belirgin etkisi, sistem ataletini azaltmasıdır. Sistem ataletindeki azalma, EGS'de meydana gelen aktif güç dengesizlikleri sırasında frekans salınımlarını arttırarak, frekans kararlılığının sağlanmasını zorlaştırmaktadır. Bu tez çalışmasında, çalışma amacına uygun olarak seçilen test sistemleri ve literatürde yaygın olarak kullanılan Kundur'un iki bölgeli test sistemi üzerinden, EGS Primer Frekans Kontrolü (PFK) açısından kritik öneme sahip kavramlar detaylı bir şekilde incelenmiş ve etkili frekans kontrolü için gereksinimler belirlenmiştir. Yapılan incelemeler, etkili bir frekans kontrolü sağlamak için EGS'de yeterli PFK rezervine sahip olmanın tek başına yeterli olmadığını göstermektedir. Etkili bir frekans kontrolü, güç rezervinin kaynaklar arasında mümkün olduğunca dengeli bir şekilde dağıtılarak hızlı bir şekilde devreye alınmasını gerektirmektedir. YEK'lerin konvansiyonel üretim birimlerinin yerini alması, sistem ataletinde azalmaya yol açmanın yanı sıra, PFK rezervinin daha az sayıdaki SG arasında dağıtılmasına neden olmaktadır. Bu bağlamda, daha büyük kapasitelerde ve daha hızlı devreye alınabilir emre amade PFK rezervlerine duyulan ihtiyacın artacağı görüşü, simülasyon çalışmaları ile desteklenmiştir. Bu nedenle gelecekteki modern EGS'lerde, YEK'lerin sentetik atalet tepkisi sağlayarak PFK'ya destek olması gerekeceği öngörülmektedir. Bu tez çalışması kapsamında, EGS'deki RES oranının artması nedeniyle azalan sistem ataletinin, EGS frekans tepkisi üzerindeki olumsuz etkilerini azaltmak amacıyla uygulanabilecek stratejilerden biri olan sentetik atalet desteği ve bu desteğin EGS frekans tepkisi üzerindeki etkileri ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Modern rüzgâr türbinleri, ek kontrol mekanizmaları ile desteklenmedikçe, SG'ler gibi atalet desteği sağlayabilme kapasitesine sahip değildir. IEC (International Electrotechnical Commission), rüzgâr türbini modellerine ait üretici modellerinin fazla detaylı olması, verilere ulaşılabilirliğinin ve yönetilmesinin pratik olmaması nedeniyle kalıp türbin modelleri önermektedir. Bu kalıp modeller ise atalet desteği kontrolü fonksiyonuna sahip değildir. Bu nedenle çalışma kapsamında Tip-4 rüzgâr türbininin PFK'ya destek olabilmesi amacıyla Atalet Tepki Kontrolcüsü (ATK) geliştirilmiş ve bu kontrolcü IEC Tip-4 modeline entegre edilmiştir. Geliştirilen ATK'nın aşırı üretim (AU) ve atalet emülatörü (AE) olmak üzere iki farklı fonksiyonel modu mevcuttur. Her iki ATK kontrol modunda, türbinin mevcut açısal hızına bağlı olarak ürettiği optimum referans güç sinyali saptırılarak, türbinin üretebileceği anlık güçten daha fazlasının kısıtlı bir süre boyunca üretilmesi hedeflenmiştir. AU kontrol modunda, aktif güç üretimi, bozucu etki öncesine kıyasla sabit bir oranda artacak şekilde ölçeklendirilmektedir (örneğin, Pgenx1,10 pu). AE modunda ise frekans değişim oranının bir fonksiyonu olarak şekillenen ve SG'lerin doğal atalet tepkisine benzer bir yanıt elde edilmektedir. Rüzgâr türbinleri, mevcut rüzgâr enerjisinden maksimum gücü elde edecek şekilde tasarlanmakta ve kontrol edilmektedir. Bu da türbinlerin SG'ler gibi emre amade güç rezervi bulundurmamasına neden olmaktadır. Dolayısıyla rüzgâr türbinin atalet desteği, yalnızca türbinin rotorunda depolanan kinetik enerjinin kontrollü bir şekilde şebekeye aktarılması yöntemine dayanır. Kinetik enerjisinin bir kısmını kaybeden rotor, yavaşlama eğilimi gösterir. Atalet desteğinin sona ermesiyle birlikte türbin yeniden hızlanmaya başlar ve başlangıç hızına ulaşana kadar ilk durumuna kıyasla daha az aktif güç üretir. Bu süreç, türbinlerin atalet desteği sonrasında sergilediği karakteristik bir davranış olup toparlanma süreci olarak adlandırılmaktadır. Toparlanma sürecinin, görece küçük adalaşmış sistemlerde daha düşük frekans dip noktalarına yol açarak, frekans tepkisi üzerinde beklenenden farklı olarak olumsuz etkiler oluşturabildiği gözlemlenmiştir. Türbinin atalet tepkisi sırasındaki aerodinamik etkileşimler ile EGS frekans tepkisi arasındaki ilişkinin incelenebilmesi için, ATK'nın yanı sıra aerodinamik blok, kanat açısı kontrolcüsü ve maksimum güç takip edici (MPPT) blokları da tasarlanmış ve IEC Tip-4 türbin modeline entegre edilmiştir. Geliştirilen rüzgâr türbini modelinin nominal gücü 5 MW olarak belirlenmiş, nominal rüzgâr hızı ise 12 m/s olarak alınmıştır. Aerodinamik blok, mevcut rüzgâr hızı ve kanat ucu hızına bağlı olarak, referans alınan parametrik güç katsayısı fonksiyonuna göre türbinin üretebileceği aerodinamik gücü hesaplamaktadır. Farklı rüzgâr hızlarında üretilebilecek maksimum güç verilerinden türetilen referans güç eğrisi ise MPPT tarama tablosu olarak modele dahil edilmiştir. Kanat açısı kontrolcüsü ise nominalinden yüksek rüzgâr hızlarında, türbinin güç üretimini sınırlamak amacıyla kanat açılarının pozisyonunu otomatik olarak regüle eden bir kontrolcüdür. Bu ek bloklar sayesinde nominalinin üzerindeki farklı rüzgâr hızları için atalet tepkisi incelenebilmiştir. Rüzgâr hızının nominal rüzgâr hızından yüksek olduğu durumlarda; RES'lerin toparlanma sürecinin EGS frekansı üzerindeki olumsuz etkilerinin, nominal rüzgâr hızının altındaki hızlara kıyasla önemli ölçüde azaldığı gözlemlenmiştir. Rüzgâr türbinlerinin atalet desteğinin, türbin şaftına uygulanan torkun nominal değerinin üzerine çıkmasına neden olabileceği gözlemlendiğinden, bu durumun mekanik açıdan da incelenmesi gereken bir konu olduğu değerlendirilmektedir. ATK fonksiyonuna sahip rüzgâr türbinlerinden oluşan 33x5 MW kapasiteli RES02 ve 17x5 MW kapasiteli RES03 rüzgâr santralleri, P.M. Anderson ve A.A. Fouad'ın 9 baralı test sistemine entegre edilmiştir. İlgili test sistemindeki SG modelleri, frekans kararlılığının incelenebilmesi amacıyla hız regülatörü (governor) ve uyartım sistemi dinamik modelleri eklenerek yeniden yapılandırılmıştır. Bu test sistemi aracılığıyla, RES atalet desteğinin etkileri, farklı senaryoların dinamik analizleri ile karşılaştırmalı bir şekilde incelenmiştir. Analiz sonuçları, atalet desteği sağlayamayan RES'lerin SG'lerin yerini aldığı her senaryoda, sistem ataletinin azaldığını göstermektedir. Bu duruma bağlı olarak, aynı referans bozucu etki için daha yüksek frekans değişim oranı (Rate of Change of Frequency-RoCoF) ve daha düşük frekans dip noktaları gözlenmiştir. İncelenen senaryolar, RES'lerin sağladığı atalet desteğinin RoCoF değerini önemli ölçüde azalttığını ortaya koymaktadır. Bu durum, RES'lerin frekansın dip noktasına ulaşma süresini geciktirerek konvansiyonel üretim kaynaklarının rezervlerinin devreye alınması için ek bir zaman aralığı sağladığını ve böylece PFK'yı destekleyebildiğini göstermektedir. Ancak, frekans dip noktasında beklenen iyileşmenin tüm senaryolarda gerçekleşmediği ve hatta bazı senaryolarda, atalet desteğine rağmen daha düşük frekans dip noktalarının oluştuğu tespit edilmiştir. RES'lerin atalet desteği sağladığı durumda, RoCoF'un düşük olması sebebiyle, konvansiyonel droop kontrolü ile yönetilen hız regülatörlerinin birim zamanda daha az aktif gücü devreye almasına yol açmaktadır. Atalet desteğinin sona ermesiyle birlikte, rüzgâr türbinleri toparlanma sürecine girmektedir. EGS'deki üretim-tüketim dengesinin RES'lerin toparlanma sürecine girmeden önce hızlıca sağlanamadığı durumlarda, RES'lerin toparlanma süreci, PFK'dan sorumlu SG'ler tarafından yavaş gelişen ek bir aktif güç açığı olarak algılanmaktadır. Bu durumun, aktif güç üretim-tüketim dengesinin daha geç sağlanmasına ve dolayısıyla frekans dip noktasının, atalet desteği sağlanmadığı duruma göre daha düşük olmasına yol açarak, frekans cevabını olumsuz etkilediği görülmüştür. PFK'nın görece yavaş tepki verdiği veya ada pozisyonundaki küçük güç sistemlerinde, RES'lerin atalet desteği sonrasındaki toparlanma sürecinin EGS frekans cevabı üzerindeki olumsuz etkilerini azaltmak amacıyla, yardımcı hata sinyalleri ile desteklenen SG türbin governorlarının, RES atalet desteğinin etkinliğini artırabileceği tespit edilmiştir. Rüzgâr santrallerinin atalet desteğinin kontrolcü temelli olması nedeniyle frekansın ATK'nın tetikleneceği eşik değerine ulaşıncaya kadar geçen bir süre söz konusudur. Bu durum, atalet desteğinin birkaç yüz milisaniyelik bir gecikmeyle başlamasına neden olmaktadır. ATK devreye girmeden önce frekans, sistem atalet sabitine bağlı olarak azalmaya başlayacak ve bu durum, RES atalet desteğinin olmadığı duruma benzer şekilde gelişecektir. ATK'nın devreye girmesiyle frekansın değişimi farklı bir davranış sergileyecektir. Bu nedenle, ATK desteği sağlandığı durumlarda düşük frekans (ANSI 81) ve frekans değişim oranını (ANSI 81R) baz alan koruma ve yük atma şemalarının yeniden değerlendirilmesi gerekecektir. Aksi takdirde, yüksek RoCoF nedeniyle gereksiz yük atma veya RoCoF rölelerinin tetiklenmemesi sonucu, yüklerin zamanında atılmaması gibi olumsuz durumlar meydana gelebilir.

Özet (Çeviri)

In this thesis, the effects of inertia support provided by Wind Power Plants (WPPs) on the Primary Frequency Response (PFR) of Electrical Power Systems (EPS) are investigated. The user-defined models required for the study were developed using the Dynamic Simulation Language (DSL) of the PowerFactory/DIgSILENT power system analysis software, and dynamic analyses were also conducted within the same software environment. The findings obtained from the dynamic analyses were interpreted to comparatively evaluate the impact of WPPs on EPS frequency response, and recommendations for future studies were provided. Generation units based on Renewable Energy Sources (RES) exhibit significant differences from conventional generation sources based on Synchronous Generators (SG) in terms of technological infrastructure and the characteristic properties of their energy sources. These differences introduce several challenges in ensuring and maintaining the stable operating conditions of EPSs. The most significant and noticeable impact of the increasing RES-based generation on EPS stability is the reduction of system inertia. The decrease in system inertia exacerbates frequency oscillations during active power imbalances in the EPS, thereby making it more challenging to maintain frequency stability. In this thesis, critical concepts related to the Primary Frequency Control (PFC) of EPS were examined in detail using test systems selected in line with the study's objective, as well as Kundur's two-area test system, which is widely used in the literature. The requirements for effective frequency control were identified. The analyses indicate that maintaining adequate PFC reserves in the EPS alone is not sufficient to ensure effective frequency control. Effective frequency control requires the distributed power reserves among available sources to be activated as rapidly as possible. The replacement of conventional generation units with RES not only leads to a reduction in system inertia but also results in the PFC reserve being distributed among a smaller number of SGs. In this context, simulation studies support the view that the need for larger-capacity and faster-activated available PFC reserves will increase. Therefore, it is anticipated that in future modern EPSs, RESs will be required to provide support to PFC by offering synthetic inertia response. In this thesis, synthetic inertia support, one of the strategies that can be applied to mitigate the adverse effects of reduced system inertia on the frequency response of EPSs due to the increasing share of WPPs, and its impact on EPS frequency response are examined in detail. Modern wind turbines, unless supported by additional controllers, do not have the capability to provide inertia support like SGs. The International Electrotechnical Commission (IEC) provides generic models for wind turbines because manufacturer-specific models are overly detailed, making data accessibility and management impractical. However, these generic models do not include an inertia support control function. Therefore, within the scope of this study, an Inertia Response Controller (IRC) was developed to enable Type-4 wind turbines to support PFC, and this controller was integrated into the IEC Type-4 model. The developed IRC has two distinct functional modes: Overproduction (OP) and Inertia Emulator (IE). In both IRC control modes, the optimal reference power signal, which depends on the turbine's angular speed, is manipulated to allow the turbine to generate more power than its instantaneous capability for a limited duration. In the OP control mode, active power generation is scaled to increase at a constant rate compared to its pre-disturbance level (e.g., Pgenx1,10 pu). In the IE mode, a response similar to the inherent inertial response of SGs is achieved by shaping the power output as a function of the rate of change of frequency. Wind turbines are designed and controlled to optimize the extraction of the maximum possible power from the available wind energy. Consequently, in contrast to SGs, they do not maintain a readily available power reserve. Therefore, inertia support in wind turbines relies solely on the controlled transfer of kinetic energy stored in the turbine rotor to the grid. As the rotor loses part of its kinetic energy, it tends to slow down. Once inertial support ends, the turbine begins to accelerate again and produces less active power compared to its initial state until it reaches its initial speed. This process is a characteristic behaviour of turbines following inertial support and is referred to as the recovery period. It has been observed that the recovery period can lead to lower frequency nadirs in relatively small islanded systems, thereby causing unexpectedly negative effects on the frequency response. To analyse the relationship between aerodynamic interactions during the turbine's inertia response and the frequency response of the EPS, in addition to the IRC, aerodynamic block, blade pitch controller, and Maximum Power Point Tracking (MPPT) blocks were also designed and integrated into the IEC Type-4 turbine model. The nominal power of the developed wind turbine model was set at 5 MW, and the nominal wind speed was assumed to be 12 m/s. The aerodynamic block calculates the aerodynamic power that the turbine can generate based on the given wind speed and blade tip speed, following a reference parametric power coefficient function. The reference power curve, derived from the maximum power generation data at different wind speeds, was incorporated into the model as an MPPT look-up table. The blade pitch controller is an automated control system that regulates blade positions to limit turbine power output at wind speeds exceeding the nominal value. With these additional blocks, the inertial response has been analysed for different wind speeds above the nominal value. In cases where the wind speed is higher than the nominal wind speed, it has been observed that the adverse impact of the recovery period of RES on the EGS frequency can be significantly mitigated compared to wind speeds below the nominal value. Since inertial support from wind turbines can lead to the torque applied to the turbine shaft exceeding its nominal value, this issue is also considered to be a subject that requires further mechanical investigation. The WPP02 wind farm, consisting of 33 wind turbines with a capacity of 5 MW each, and the WPP03 wind farm, consisting of 17 wind turbines with the same capacity, were integrated into the 9-bus test system of P.M. Anderson and A.A. Fouad. The SG models in the test system were restructured by incorporating governor and excitation system dynamic models to enable the analysis of frequency stability. Through this test system, the effects of RES inertial support have been examined in a comparative manner through dynamic analyses of different scenarios. The analysis results show that in every scenario where WPPs, which are unable to provide inertia support, replace SGs, system inertia decreases. As a result, a higher Rate of Change of Frequency (RoCoF) and lower frequency nadirs were observed for the same reference disturbance. The analysed scenarios reveal that the inertial support provided by WPPs significantly reduces the RoCoF value. This indicates that the inertia support from WPPs delays the time it takes for the frequency to reach its minimum point, thereby providing an additional time for the activation of reserves from conventional generation sources, and thus supporting PFC. However, it was found that the expected improvement in frequency nadir did not occur in all scenarios, and in some cases, lower frequency nadirs were observed despite the presence of inertial support. When WPPs provide inertial support, the low RoCoF results in conventional droop-controlled speed governors activating less active power per unit of time. Once the inertia support ends, the wind turbines enter the recovery period. In cases where the generation-consumption balance in the EPS cannot be quickly restored before WPPs enter the recovery period, the recovery period of RESs is perceived as an additional active power deficit that develops gradually and must be managed by the SGs responsible for PFC. This results in a delayed restoration of the active power generation-consumption balance, causing the frequency nadir to be lower compared to the case where inertia support is not provided, thereby negatively affecting the frequency response. In cases where PFC responds relatively slowly or in small EGS operating in island mode, it has been determined that SG turbine governors, supported by auxiliary error signals, can enhance the effectiveness of WPP inertial support in order to reduce the negative impacts of the recovery period on the EGS frequency response. Due to the controller-based nature of inertial support in WPPs, there is a time delay of a few hundred milliseconds until the frequency reaches the threshold value at which the IRC is triggered. Before the IRC is activated, the frequency will begin to decrease based on the system inertia constant, and this behavior will be similar to the scenario without WPP's inertial support. Once the IRC is activated, the frequency change will exhibit a different behavior. Therefore, in cases where WPP's inertial support is provided, protection and load shedding schemes based on low frequency (ANSI 81) and RoCoF (ANSI 81R) will need to be reassessed. Otherwise, due to the high RoCoF, undesirable situations such as unnecessary load shedding or failure to trigger RoCoF relays, resulting in delays in load shedding, may occur.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    315218

    Analysis of dynamic behavior of viscoelastic helicoidal rods with mixed finite element method.

    Viskoelastik helisel çubukların dinamik davranışının karışık sonlu elemanlar yöntemiyle analizi.

    ÜMİT NECMETTİN ARIBAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET HAKKI OMURTAG

  2. Tez No

    703410

    Zehirlenme olgularında rabdomyolizin ölüm mekanizmasındaki rolü

    Role of rhabdomyolysis on mechanism of death in cases of intoxication

    PINAR BAKIR KÜÇÜK

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Adli TıpAdalet Bakanlığı

    Adli Tıp Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İBRAHİM ÜZÜN

  3. Tez No

    959215

    Comparative study of federated learning for credit risk assessment and fairness evaluation

    Federe öğrenmenin karşılaştırmalı çalışması: Kredi risk değerlendirmesi ve adalet ölçümü

    MUSTAFA AKTAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BEHÇET UĞUR TÖREYİN

    DR. RUŞEN HALEPMOLLASI

  4. Tez No

    954809

    A novel approach for robust identification and characterization of mechanical shock loads for structural durability assessment

    Yapısal dayanım değerlendirmesi için mekanik şok yüklerinin tespiti ve işlenmesine yönelik yeni bir yaklaşım

    DOĞUKAN ELİBOL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MESUT KIRCA

  5. Tez No

    736917

    Causalité chez Hume et chez Kant et ses effets sur leurs philosophies pratiques

    Hume'a ve Kant'a göre nedensellik ve pratik felsefelerine etkileri

    DENİZ NESİN GÜRKAN

    Yüksek Lisans

    Fransızca

    Fransızca

    2022

    FelsefeGalatasaray Üniversitesi

    Felsefe Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİYE KOVANLIKAYA

Geri Dön