Tuning of the load-frequency controller for the Finnish power system

Abstract

Balancing the production and consumption of electricity is essential to uphold the power system and deliver electricity to all consumers. A power imbalance causes the system frequency to deviate from its nominal value, and extensive frequency deviations lead to the disconnection of production units due to the activation of equipment protection functions.

In the Nordic countries, transmission system operators are responsible for balancing the power system in real-time. To achieve this, a number of reserve-providing units, such as power-generating units, consumption entities, and energy storages control their power exchange with the grid based on the frequency deviation or power imbalance.

In recent years, the Nordic power system has been undergoing a transformation with an increasing share of renewable energy production and increased cross-border energy exchange. Maintaining the power balance and managing cross-border flows have become more challenging, leading the transmission system operators to develop a new balancing model.

Currently, a centralized load-frequency controller is used to balance the whole Nordic power system by activating automatic frequency restoration reserves. In the new balancing model, the power system is divided into separate load-frequency control areas, each equipped with a load-frequency controller balancing the consumption and production in that area. Finland is one of those areas.

In this thesis, the optimal parameters for the Finnish load-frequency controller were determined in a way that the balancing is efficiently and securely performed. In order to tune the controller, the essential dynamics of the power system and reserve-providing units were modeled. The modeled system was exposed to various operating conditions and imbalances in a simulation environment. In addition, an optimization method was developed to evaluate the performance of the controller over long time periods. Furthermore, the influence of the control dynamics of other areas on the choice of optimal parameters was studied.

The magnitude of the power imbalances and the control dynamics of other areas were found to have an influence on the choice of the parameters. Nevertheless, the identified optimal parameters are robust to different operating conditions. Furthermore, the performed studies show that the addition of a low-pass filter to the control algorithm can improve the quality of the control signal.

Sähkön tuotannon ja kulutuksen tulee olla joka hetki tasapainossa, jotta sähköjärjestelmän käyttö on turvallista ja sähköä voidaan toimittaa kuluttajille. Epätasapaino aiheuttaa sähköjärjestelmän taajuuden poikkeamisen nimellisarvosta. Liian suuret poikkeamat johtavat tuotantoyksiköiden irtautumiseen verkosta suojalaitteiden aktivoitumisen vuoksi.

Pohjoismaissa kantaverkkoyhtiöt vastaavat sähköjärjestelmän reaaliaikaisesta tasapainottamisesta. Tasapainotukseen käytetään erilaisia reservejä, kuten sähköntuotantoyksiköitä, kulutuskohteita ja energiavarastoja, jotka muuttavat tarvittaessa sähkön tuotantoaan tai kulutusta.

Viime vuosina pohjoismainen sähköjärjestelmä on muuttunut, kun uusiutuvan energian tuotannon osuus on kasvanut merkittävästi ja valtioiden rajojen välinen sähkönsiirto on lisääntynyt. Muutoksien seurauksena tasapainotuksesta ja sähkön siirrosta on tullut entistä haastavampaa. Jotta sähköjärjestelmän käyttö on tulevaisuudessakin tehokasta ja turvallista, pohjoismaiset kantaverkkoyhtiöt kehittävät uutta tasehallintamallia.

Tällä hetkellä pohjoismaisen sähköjärjestelmän tasapainottamiseen käytetään keskitettyä tasevirhesäätäjää, joka tasapainottaa koko järjestelmän aktivoimalla automaattisia taajuudenpalautusreservejä. Uudessa tasapainotusmallissa sähköjärjestelmä jaetaan alueisiin, joissa jokaisessa on tasevirhesäätäjä, joka tasapainottaa kyseisen alueen kulutuksen ja tuotannon. Suomi on yksi näistä alueista.

Tässä diplomityössä Suomen tasevirhesäätäjä viritettiin määrittämällä säätimelle optimaaliset parametrit, joiden avulla tasapainotus suoritetaan tehokkaasti ja turvallisesti. Ennen säätimen viritystä sähköjärjestelmän ja reservien olennainen dynamiikka mallinnettiin, minkä jälkeen järjestelmän käyttäytymistä simuloitiin erilaisissa käyttöolosuhteissa. Lisäksi säätimen suorituskyvyn arvioimiseksi kehitettiin optimointimenetelmä. Työssä tutkittiin myös muiden alueiden säädindynamiikan vaikutusta optimaalisten parametrien valintaan.

Tehoepätasapainojen suuruudella ja muiden alueiden säädindynamiikalla havaittiin olevan vaikutus parametrien valintaan. Löydetyt optimaaliset parametrit antavat kuitenkin hyvät vasteet erilaisissa verkon käyttöolosuhteissa. Lisäksi työssä huomattiin, että alipäästösuodattimen lisääminen säätöalgoritmiin voi parantaa säätösignaalin laatua.