Integration of Non-synchronous Generation - Frequency Dynamics

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish I Sverige och Norden har elproduktion traditionellt skett med huvudsakligen vattenkraft och kärnkraft. Detta håller dock på att förändras i takt med en allt större vindkraftsutbyggnad. Vindkraften skiljer sig i vissa avseenden från de traditionella produktionsslagen, ett av dessa är hur anslutningen till elnätet är utformad. Detta innebär att vindkraften, sedd från nätet, inte beter sig som exempelvis vattenkraft och kärnkraft vilket kan äventyra stabiliteten i nätet. I detta arbete har olika möjligheter att med hjälp av reglering ge vindkraften ett beteende liknade traditionell produktion studerats. Detta för att möjliggöra en fortsatt stabil drift av det nordiska elnätet. Frekvensen i nätet bestäms av balansen mellan total produktion och total förbrukning. Detta kan ses som en våg med produktion på ena vågskålen och förbrukning på den andra. Jämviktsläget, motsvarande 50 Hertz (Hz), eftersträvas alltid. Om en del av produktionen plötsligt skulle falla ifrån som vid ett snabbstopp av ett kärnkraftaggregat, påverkas inte förbrukningen och frekvensen kommer att sjunka. Synkrongeneratorer, i vattenkraft och kärnkraft, kommer vid fallande frekvens momentant öka sin effekt genom att energi frigörs från kraftverkens roterande massor. Detta gör att frekvensen faller långsammare. Efter några sekunder kommer frekvensreglering i framför allt vattenkraftverk automatiskt att kompensera för den förlorade produktionen genom att öka effekten från den kvarvarande produktionen. Detta återställer frekvensen till nära 50 Hz. Alla moderna vindkraftverk är icke-synkront anslutna till nätet vilket innebär att de levererar sin elektriska effekt oberoende av nätfrekvensen. Dessa generatorer ger alltså inte något naturligt stöd till frekvenshållningen. Med mer vindkraft och mindre synkron generering faller frekvensen därmed snabbare och frekvensregleringen har kortare tid på sig att reglera upp produktionen vilket innebär att man får en större frekvensavvikelse från 50 Hz. Om regleringen inte hinner med kan avvikelsen bli otillåtet stor för exempelvis kärnkraftverk och man riskerar att dessa kopplas bort. Detta kan i värsta fall leda till strömavbrott av nationell omfattning. Om vindkraftverken förses med lämplig reglering kan de hjälpa till att stabilisera frekvensen på ett sätt liknande en synkrongenerator. I denna avhandling har olika typer av regulatorer undersökts i ett framtida scenario för det nordiska kraftsystemet. Vissa regulatorer har visat sig fungera bra medan andra är svåra att justera och kan under olyckliga omständigheter till och med ge en sämre frekvens än ingen reglering alls. Valet av regulatortyp är starkt beroende av hur systemet ser ut och den snabbaste regleringen fungerar inte alltid bäst i kombination med redan befintlig frekvensreglering. I de flesta fall kommer vindkraften troligen inte att innebära några problem för frekvensen i det nordiska systemet eftersom det ändå kommer att finnas tillräckligt mycket vattenkraft och kärnkraft. Den svåraste situationen är när man har mycket vindkraftsproduktion i kombination med låg förbrukning. Då kan det vara fördelaktigt att minska vindkraftsproduktionen några procent för att på så sätt få en marginal som kan användas till frekvensreglering med vindkraften. Detta är det säkraste och mest tillförlitliga sättet att erhålla stabil frekvens med hög andel vindkraft.