Wind energy penetgration impact on grid frequency during normal operation and frequency deviations

The fluctuating nature of output from wind farms in relation to wind speed conditions at each wind turbine causes a severe burden on conventional generators, and such wind power variations have a considerable impact on grid frequency and voltage stability. In addition, such fluctuations in output create economic problems, as most of system operators apply financial penalties on wind farms owners when generation levels deviate from forecasted schedules by certain ratios. This thesis focuses on the negative impacts of moderate and high levels of wind power contribution to grid generation capacities on the frequency response. Particularly, integrated wind farms replace certain ratios from conventional generation capacity. Retired conventional capacity is decided according to estimated annual energy production of installed wind farms.

Die natürlichen Schwankungen der Leistung von Windparks aufgrund fluktuierender Windgeschwindigkeiten haben einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Qualität der Stromversorgung. Die vorliegende Dissertation konzentriert sich daher auf den Einfluss von Windparks auf die Frequenzstabilität in elektrischen Versorgungsnetzen. Dieser Einfluss ist wichtiger und klarer wenn mehr Windparks konventionelle Generatoren auswechseln. Es werden zwei spezielle Algorithmen vorgestellt, welche eine Erhöhung der aktiven Windparkenergie ermöglichen, die Stabilität des Erzeugungssystems verbessern und die Bilanz von Erzeugung und Nachfrage ausgleichen sollen. Der erste Algorithmus bezieht sich auf die in den rotierenden Teilen der Windkraftanlage gespeicherte kinetischen Energie. Der zweite Algorithmus betrifft den Blatteinstellwinkel, der die Drehgeschwindigkeit des Rotors verändern kann. Während des normalen Betriebs bei entsprechendem Wind ist der Blatteinstellwinkel größer als Null und sinkt, wenn ein Frequenzabfall eintritt. Die beiden hier vorgestellten Algorithmen werden dabei hauptsächlich aus dem Blickwinkel der Energienutzung mit Bezug auf den Normalbetrieb verglichen. Die vorliegende Forschungsarbeit bietet auf Basis chronologischen Daten für Netzbelastung und Windgeschwindigkeit auch eine neue Methode zur Berechnung der jährlichen Energieproduktion der Windkraftanlagen. Zusätzlich ist eine neue ‚Dispatch‗-Methode in die Algorithmen integriert, welche die Unterstützungsrolle für jede Windkraftanlage in jedem Windpark während eines Frequenzproblems definiert. Eine neuartige Lösung zur Einbeziehung von Speichermedien, insbesondere Batteriebänken, wird zum Abschluss der Arbeit vorgeschlagen und die Energiekapazität sowie die Leistung der Batterien bewertet. Der Einsatz der Batterien zielt zunächst auf eine Aufladung während des Normalbetriebs und bei guten Windkonditionen ab. Danach sind die Batterien in der Lage, zusätzliche Wirkleistung zu liefern, um einem plötzlichen Frequenzabfall unter bestimmten Bedingungen entgegenwirken zu können. Die gesamte Analyse wird anhand hypothetischer Systeme und anschließend für das ägyptische Netz und die dortige Windenergienutzung untersucht. Alle Fallstudien vergleichen und analysieren die Frequenzkurven vor und nach der Integration der präsentierten Methoden und zeigen deren Vor- und Nachteile auf. Als primäre Simulationssoftware wurden MATLAB und Simulink verwendet. Es hat sich ergeben, dass die hier vorgeschlagenen Algorithmen zwar das Potential zur Minderung von plötzlichen Frequenzabfällen besitzen, aber dennoch eine kompromissbasierte Auswahl nötig ist, um die optimale Lösung für die jeweils untersuchte Fallstudie zu finden.