Dynamic Modeling of Hydrogen Electrolyzer Plant for Fast Frequency Response in Power Systems

Thumbnail Image

Files

master_Leppänen_Pinja_2025.pdf (9.66 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

2025-05-18

Department

Major/Subject

Energy Systems and Markets

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Advanced Energy Solutions

Language

en

Pages

59

Series

Abstract

To limit global warming to 1.5 degrees Celsius, an increased effort is required to integrate renewable energy sources into power systems. As the share of renewable generation increases, synchronous generators are replaced with inverter based generation, leading to reduced system inertia and new challenges for frequency stability. Hydrogen electrolyzer plants have been recognized as promising assets for improving grid frequency stability due to their rapid load-following capabilities. However, dynamic models of hydrogen electrolyzer plants for fast frequency response studies in PSS®E have been overlooked in the literature. To address this gap, this thesis investigates how a dynamic model of a hydrogen electrolyzer plant can be developed for fast frequency response studies in PSS®E. Modeling approaches were examined for the electrolyzer stack, its grid connection and interaction with hydrogen storage. Furthermore, an active power reference generation strategy is implemented to control the fast frequency response. From the discussed approaches, a complete modeling framework was selected for further development. Based on this framework, a user-defined auxiliary model was created and integrated with the PSS®E model library electrical control and renewable generator models. The applicability of the developed auxiliary model was evaluated with simulation scenarios. It was concluded that the simplified modeling approach performs well for system-level fast frequency response studies. The groundwork provided in this study supports future model development in PSS®E.

Ilmaston lämpenemisen rajoittamiseksi 1,5 celsiusasteeseen uusiutuvien energianlähteiden määrää sähköjärjestelmässä täytyy lisätä. Kun uusiutuvien energialähteiden osuus sähköjärjestelmässä kasvaa, synkronisia generaattoreita korvataan inverttereihin pohjautuvalla tuotannolla, mikä johtaa järjestelmän inertian vähenemiseen ja tuo mukanaan uusia taajuusstabiiliuden haasteita. Vetyelektrolyysilaitokset pystyvät reagoimaan nopeasti verkon taajuuden muutoksiin, mikä tekee niistä lupaavan teknologian taajuusstabiiliuden parantamiseksi. Aiemmissa tutkimuksissa elektrolyysereiden dynaamiset mallit nopean taajuusvasteen tutkimista varten PSS®E:llä ovat kuitenkin jääneet huomiotta. Tämän puutteen korjaamiseksi tässä työssä tutkittiin, kuinka vetyelektrolyysilaitoksen dynaaminen malli voitaisiin kehittää nopean taajuusvasteen tutkimista varten PSS®E:llä. Eri lähestymistapoja mallinnukseen tutkittiin elektrolyysikennolle, sen verkkoliitynnälle sekä sen ja vetyvaraston vuorovaikutuksen mallintamiseksi. Lisäksi toteutettiin pätötehon viitearvon tuottamismenetelmä nopean taajuusvasteen säätöä varten. Käsitellyistä lähestymistavoista valikoitiin kokonainen mallinnusmenetelmä jatkokehitystä varten. Tämän menetelmän pohjalta luotiin käyttäjän määrittelemä apumalli, joka integroitiin PSS®E-mallikirjaston sähköisen säädön ja uusiutuvan generaattorin malleihin. Kehitetyn apumallin soveltuvuutta arvioitiin erilaisissa simuloiduissa tilanteissa. Tulosten perusteella yksinkertaistettu mallinnustapa toimii hyvin järjestelmätason nopean taajuusvasteen tutkimuksessa. Tässä tutkimuksessa tehty pohjatyö tukee tulevien PSS®E-mallien kehitystä.

Description

Supervisor

Pourakbari Kasmaei, Mahdi

Thesis advisor

Sevsek, David

Keywords

hydrogen, electrolyzer, PEM, dynamic, model, FFR

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506104460

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC