Verkkoa luovien sähkövarastojen vaikutus voimajärjestelmän stabiiliuteen

Thumbnail Image

Files

master_Määttä_Juuso_2025.pdf (3.76 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-09-18

Department

Major/Subject

Control, Robotics and Autonomous Systems

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Automation and Electrical Engineering

Language

fi

Pages

88

Series

Abstract

Finnish electricity production is increasingly dependent on inverter-based resources (IBR), which is why converter-driven stability phenomena have a significant impact on the stability of the power system. Grid-forming control (GFM) enables converters to support the stability of the power system in a similar way to synchronous machines. With GFM it is possible to maintain power system stability with high IBR penetration. Among the first in the world, Fingrid Oyj, the transmission system operator in Finland, requires GFM from new battery energy storage systems (BESS) of more than 10 MW. This master’s thesis investigates the ability of GFM BESS to improve the converter-driven stability of wind power in the Finnish power system. The stabilization capability of GFM BESS is studied by simulating two grid models of the Finnish power system using original equipment manufacturers’ models for wind turbines and BESS. The simulations examine the stabilization capability of separate BESS and BESS within hybrid wind parks at different operating points of battery charging and discharging, and the effect of the location of BESS to the stabilization capability. The simulation scenarios are also examined using impedance scans. Based on the simulation results, GFM BESS is able to improve converter-driven stability of wind power multiple times more than its own nominal power. The operating point of BESS between battery charging and discharging clearly affects their stabilization capability, it being weakest when the BESS is discharging its batteries at full power. The stabilization capability is not significantly affected by whether the BESS is located at a central node of the grid or away from the nodes, but the stabilizing effect weakens with distance. A BESS in a hybrid park has better stabilization capability than a separate BESS. Based on the impedance scans performed in the work, frequencies critical for stability are highlighted well in the impedance scans, but accurately defining the stability limit of IBR using impedance scans is challenging. Based on the results of the simulations, it is clear that GFM BESS effectively supports the converter-driven stability of the power system whenever they are connected to the grid. To effectively stabilize the power system GFM BESS should be built close to wind and solar power facilities.

Suomen sähköntuotanto on kasvavissa määrin suuntaajakytketyn tuotannon varassa, minkä vuoksi suuntaajalähtöisen stabiiliuden ilmiöt vaikuttavat merkittävästi voimajärjestelmän stabiiliuteen. Suuntaajien verkkoa luovalla säädöllä voidaan ylläpitää voimajärjestelmän stabiiliutta perinteisten tahtikoneiden kaltaisesti, mikä mahdollistaa siirtymisen täysin suuntaajavaltaiseen järjestelmään. Ensimmäisten joukossa maailmassa Suomen kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj vaatii verkkoa luovaa säätöä yli 10 MW:n sähkövarastoilta. Tässä diplomityössä tutkitaan verkkoa luovien sähkövarastojen kykyä parantaa tuulivoiman suuntaajalähtöistä stabiiliutta Suomen voimajärjestelmässä. Verkkoa luovien sähkövarastojen stabilointikykyä tutkitaan simuloimalla kahdella Suomen voimajärjestelmää mallintavalla verkkomallilla, käyttäen laitevalmistajien malleja tuulivoimalaitosten ja sähkövarastojen osalta. Simuloinneilla tutkitaan sähkövarastolaitosten sekä hybridipuistojen sähkövarastojen stabilointikykyä akkujen latauksen ja purun eri toimintapisteissä sekä sähkövarastojen sijainnin vaikutusta stabilointikykyyn. Lisäksi tilanteita tarkastellaan myös impedanssiskannausten avulla. Tulosten perusteella verkkoa luovat sähkövarastot kykenevät stabiloimaan tuulivoimaa omaan tehonsa nähden moninkertaisesti suuntaajalähtöisen stabiiliuden näkökulmasta. Sähkövarastojen toimintapiste akkujen latauksen ja purun välillä vaikuttaa niiden stabilointikykyyn selkeästi, stabilointikyvyn ollessa heikoimmillaan sähkövaraston purkaessa akkujansa täydellä teholla. Stabilointikykyyn ei vaikuta merkittävästi sijaitseeko sähkövarasto verkon solmukohdassa vai sivussa solmukohdista, mutta stabiloiva vaikutus heikkenee etäisyyden myötä. Osana hybridipuistoa sähkövarastolla on merkittävästi parempi stabilointikyky kuin erillisellä sähkövarastolaitoksella. Työssä tehtyjen impedanssiskannausten perusteella stabiiliuden kannalta kriittiset taajuudet tulevat vahvasti esiin impedanssiskannauksissa, mutta suuntaajakytketyn laitoksen stabiiliuden rajan tarkka määrittely impedanssiskannauksella on haastavaa. Työn tulosten perusteella on ilmeistä, että verkkoa luovat sähkövarastot parantavat voimajärjestelmän suuntaajalähtöistä stabiiliutta tehokkaasti aina ollessaan kytkettyinä sähköverkkoon. Sähkövarastojen stabiloivan vaikutuksen tehostamiseksi niitä tulisi rakentaa lähelle suuntaajakytkettyä tuotantoa.

Description

Supervisor

Seppänen, Janne

Thesis advisor

Janhunen, Olli-Pekka

Keywords

verkkoa luova säätö, verkkoa luovat suuntaajat, sähkövarastot, suuntaajalähtöinen stabiilius, suuntaajavaltainen järjestelmä, verkkosuuntaajat

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202510208337

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC