ACSICON – Neue Lösungen zur Analyse und Regelung von dynamischen Sicherheitsproblemen im zukünftigen ENTSO-E Netz mit einem hohen Anteil Umrichter-basierter Produktion

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501728
• Projekttitel Englisch: ACSICON – Novel Analysis and Control Solutions for Dynamic Security Issues in the future

Schlüsselwörter (Englisch)

power system dynamics, security, inertia, damping, power electronic converters, control approach, virtual synchronous machines

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Dieses Projekt befasst sich mit der dynamischen Netzsicherheit des zukünftigen ENTSO-E-Netzes mit reduzierten Trägheits- und Dämpfungseigenschaften. Hintergrund ist ein hoher Produktionsanteil der über leistungselektronische Umrichter verbunden ist, z.B. Photovoltaik und Wind. Wir untersuchen den Einsatz neuer verteilter Regelungsansätze für Umrichter, aggregiert aus Verteilnetzen und ergänzt durch Dämpfungsregelung von konventionellen Generatoren, FACTS oder HGÜ. Ein leistungsstarkes Netzsimulationstool wird mit einem dynamischen Analysetool für Netzkomponenten kombiniert, um das detaillierte ENTSO-E-Netzmodell mit reduzierter Erzeugung aus Synchronmaschinen iterativ zu bewerten und zu optimieren. Neuartige Regelungsansätze für Umrichter, zum Beispiel virtuelle Synchronmaschinen, werden erweitert um ihre Praxistauglichkeit für die Implementierung und die aggregierten Auswirkungen auf das Stromnetz zu gewährleisten. Ausgehend von den aktuellen Erwartungen an die zukünftige Netzentwicklung wird ein Plan erstellt, wie die Schweiz die dynamischen europäischen Energiewende begleiten kann. Das neue integrierte Softwaretool ermöglicht eine kontinuierliche Neubewertung der Situation unter alternativen technischen, strategischen oder politischen Annahmen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

This project addresses dynamic power system security issues related to reduced inertia and damping capabilities of the future ENTSO-E grid with a high share of generation connected through power electronic converters, e.g. photovoltaic energy and wind. We investigate the use of new distributed converter control approaches, aggregated from distribution grids and complemented by damping control of conventional generators, FACTS or HVDC. Combining a high-performance simulation tool with a dynamic analysis tool for components, the project iteratively assesses and optimizes a detailed ENTSO-E grid model under scenarios with reduced conventional generation. Novel converter-based control approaches such as virtual synchronous machines are extended to ensure their practicality regarding implementation and the aggregated system impact. Based on current expectations, a roadmap is established how Switzerland can best accompany the dynamic European energy transition. The new integrated software tool allows a continuous re-evaluation of the situation under alternative technical, strategic or political assumptions.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Für eine nachhaltige Energieversorgung wird in der Schweiz die Photovoltaik kräftig ausgebaut. Anders als herkömmliche Kraftwerke brauchen Solaranlagen für die Stromerzeugung keine Generatoren. Damit fehlen die rotierenden Massen, die in der bisherigen Stromversorgung das Netz stabilisieren. Eine Studie der ETH Zürich zeigt, wie die Problematik umgangen werden kann: mit dem ‹netzunterstützenden› Betrieb von Umrichtern, wie sie in Solaranlagen, aber auch in Windkraftwerken und Batteriespeichern verbaut sind.

Zugehörige Dokumente

• Fachartikel_B. Vogel [PDF] 7'205 kB

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

Photovoltaics are being drastically expanded in Switzerland to ensure a renewable energy supply. Unlike conventional power plants, solar power systems do not need generators to produce electricity. This means that the rotating masses that stabilize the electricity grid in traditional power generating plants are missing. A study from researchers at ETH Zurich shows how the problem can be circumvented: with the “grid-supporting” operation of converters, such as those installed in solar plants, but also in wind power plants and battery storage systems.

Zugehörige Dokumente

• Specialised article_B. Vogel [PDF] 5'445 kB

Schlussbericht (Englisch)

The energy transition is expected to lead to an increased generation from converter-connected distributed energy resources (DER) like photovoltaic and wind. At the same time, some traditional synchronous machine based generation is being decommissioned, for instance due to cost reasons or the nuclear phase-out, leading to new dynamic stability challenges. Recent developments have resulted in so-called grid-forming converter control architectures that also enable the provision of grid services such as frequency and voltage control, for which grid operation has traditionally relied on synchronous machine based generation. The project has investigated the potential of grid support from converters as well as the necessary practical considerations regarding controller tuning to allow penetration levels of grid-forming DERs upwards of 100% of the distribution grid load. Furthermore, model aggregation procedures have been developed to allow an adequate dynamic modelling of DER based grid support in large-scale transmission grid studies. A large disturbance in form of a system split of the continental ENTSO-E system has been studied for multiple development paths of converters replacing synchronous machines. It has been found that equipping a small share of the new converters (5%-10%) with grid support capabilities is sufficient to maintain the dynamic power system performance at today’s level, even if more than 50% of the synchronous generation is otherwise replaced by static converters without grid support.

Zugehörige Dokumente

• Final Report [PDF] 6'593 kB