QUINPORTION – Messung und Quantifizierung der Trägheit von elektrischen Energiesystemen zur Unterstützung der Integration von erneuerbaren Energiequellen

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502415
• Projekttitel Englisch: QUINPORTION – Measurement and quantification of inertia on electrical power systems to support integration of renewables

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Verteilte Energieressourcen und Speicher, die über Wechselrichter an das elektrische Energiesystem angeschlossen sind, verursachen höhere Harmonische und führen zu Messstörungen. Traditionelle Sinusmodelle der Leistungssignale, die in der Praxis für alle Berechnungen verwendet werden, sind strenggenommen nicht mehr gültig. Dieses Phänomen erfordert neue Messverfahren und die Entwicklung von Instrumenten mit höherer Präzision. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieses Projekts ein neuer PMU-Prototyp entwickelt, der gegenüber harmonischen Verzerrungen unempfindlicher ist und mit Amplituden- und Phasenschwankungen besser umgehen kann. Darüber hinaus werden Methoden zur Messung/Schätzung und Quantifizierung der bestehenden Trägheit des Systems entwickelt. Schliesslich wird die Machbarkeit und Zuverlässigkeit der vorgeschlagenen Ansätze durch Labortests und Hardware-in-the-Loop-Realisierung untersucht.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Distributed energy resources and storage systems, which are connected with the power system via dedicated power inverters, are introducing measuring disruptions and consequently the traditional sinusoidal models used to compute the power signal are not valid anymore. This phenomenon calls for new measurement procedures and development of instruments with more precision. For this reason, a novel PMU prototype more resilient with respect to harmonic distortion capable to cope with ampli-tude and phase fluctuations will be developed on this project. Moreover, definition of methods to measure and quantify the existing among of inertia on the system will be derived. Finally, demonstration of the feasibility and reliability of the proposed approaches by means of laboratory testing and Hardware-in-the-Loop realization will be investigated.

Schlussbericht (Deutsch)

Aufgrund der zunehmenden Integration leistungselektronikbasierter erneuerbarer Energiequellen wird die aktive Quantifizierung und Überwachung der verfügbaren Trägheit in modernen Stromnetzen immer wichtiger. Da neue Betriebsszenarien durch höhere Oberwellenverzerrungen und schnellere Dynamik gekennzeichnet sind, stellt die präzise Erfassung der Grundfrequenz und des ROCOF eine erhebliche Herausforderung dar. Daher müssen neue Messmethoden und -instrumente entwickelt und validiert werden, um Netzbetreibern zuverlässigere Messwerte zu liefern. Das Projekt QUINPORTION konzentrierte sich auf die Entwicklung und umfassende Charakterisierung eines neuartigen PMU-Prototyps, der nicht nur die Standardanforderungen erfüllt, sondern auch auf die Herausforderungen von Netzen mit geringer Trägheit zugeschnitten ist. Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts lag auf der Entwicklung, Implementierung und Evaluierung geeigneter Algorithmen zur dynamischen Quantifizierung der physikalischen und virtuellen Trägheit in Stromnetzen.

Demnach wurde ein verbessertes PMU unter Verwendung des Industriecontrollers NI cRIO-9054 und des Taylor-Fourier-Mehrfrequenzmodells zur Schätzung von Phasor, Frequenz und ROCOF entwickelt. Die Genauigkeit der PMU-Messungen wurde in Hardware-in-the-Loop-Testumgebungen evaluiert. Hierbei wurde das Gerät mit einem Schutz-, Automatisierungs- und Steuerungssystem SEL-421 von Schweitzer Engineering Laboratories verglichen, das über eine integrierte PMU-Funktionalität gemäss IEEE C37.118 verfügt. Anhand verschiedener Validierungsmetriken wurde bestätigt, dass die gesamte Messkette (von den physikalischen Signalen bis zu den verarbeiteten Metriken) mit ausreichender Genauigkeit und geringer Latenz arbeitet, um für die Echtzeit-Stabilitätsüberwachung effektiv zu sein. Darüber hinaus wurde durch die Anwendung realistischer Netzdynamiken in einer kontrollierten Umgebung verifiziert, dass die Hardware Daten von ausreichender Qualität und Aktualität liefert. Die erzielten Ergebnisse stellen in diesem Sinne einen entscheidenden Schritt im Hinblick auf den technologischen Reifegrad dar, indem sie das Risiko der vorgeschlagenen Lösung effektiv minimieren und den Weg für Pilotimplementierungen mit TSO-Partnern ebnen.

Die Ergebnisse der Trägheitsschätzung, die in Offline- und Echtzeitsimulationen erzielt wurden, demonstrierten die Effektivität und Genauigkeit ausgewählter, rekursiver Systemidentifikationsverfahren zur Trägheitsapproximation in Stromnetzen. Mithilfe von Umgebungsfrequenz- und Wirkleistungsmessungen sowie parametrischen Modellstrukturen wie ARMAX, ARX und OE wurde die Fähigkeit dieser Verfahren zur kontinuierlichen und dynamischen Trägheitsbestimmung in einer Echtzeitsimulationsplattform verifiziert. Die numerische Genauigkeit, Recheneffizienz und Robustheit dieser Alternativen wurden durch die Schätzung der Trägheitskonstante von Synchrongeneratoren sowie der virtuellen Beiträge einer wechselrichterbasierten Ressource mit Virtual Synchronous Machine-Regelung demonstriert. Dadurch wurden wertvolle Erkenntnisse über die praktischen Aspekte und das Potenzial der gewählten Methoden für reale Anwendungen in Stromnetzen gewonnen.

Schlussbericht (Englisch)

Due to the increasing integration of power electronics-based renewable energy resources, the active quantification and monitoring of the available inertia to opportunely deploy support actions that can keep its value above critical levels is becoming more and more essential in modern power systems. Besides, since emerging operating scenarios are characterized by higher harmonic distortions and faster dynamics, the accurate tracking of the fundamental frequency and the ROCOF has become significantly challenging. Therefore, new measurement procedures and instruments are required to be developed and validated to equip system operators with more reliable measurements. The QUINPORTION project was centred on the development and full characterization of a new PMU prototype that not only meets the standard requirements but that is also designed to cope with the challenges of low-inertia networks. Besides, the other main focus of the project was the development, implementation, and assessment of suitable algorithms for the dynamic quantification of physical and virtual inertia in power systems.

According to this, an enhanced PMU was developed using the industrial controller NI cRIO-9054 and the Taylor-Fourier Multi-Frequency model for the estimation of phasor, frequency, and ROCOF. Among different examinations, the fidelity of the PMU measurements was evaluated within sophisticated Hardware-in- the-Loop testbeds. In this regard, the device was compared against a Schweitzer Engineering Laboratories SEL-421 protection, automation, and control system (which has an integrated PMU functionality conforming to the IEEE C37.118 standard). Based on different validation metrics, it was confirmed that the entire measurement chain (from the physical signals to the final processed metrics) operates with sufficient accuracy and low latency to be effective for real-time stability monitoring. Furthermore, by subjecting the PMU to realistic and severe grid dynamics in a controlled environment, it was verified that the physical hardware can deliver data of sufficient quality and timeliness. Obtained results in this sense represent a critical step in the technology readiness level, effectively de-risking the proposed solution and paving the way for pilot implementations with TSO partners.

Likewise, based on the results related to the estimation of inertia, performed off-line and real-time simulations demonstrated the effectiveness and accuracy of selected, recursive system identification approaches to approximate inertia in power systems. By using ambient frequency and active power measurements along with parametric model structures such as ARMAX, ARX, and OE, the capability of these forms for inertia extraction in a continuous and dynamic way was verified in a real-time simulation platform. The numerical accuracy, computational efficiency, and robustness of these alternatives is demonstrated by estimating the inertia constant of synchronous generators as well as the virtual contributions from an inverter-based resource with Virtual Synchronous Machine control. By this means, valuable insights into the practical aspects and potential of the chosen methods for actual, real-world power system applications, have been achieved.

Zugehörige Dokumente

• Final report [PDF] 4'999 kB

Schlussbericht (Französisch)

Avec l'intégration croissante des énergies renouvelables basées sur l'électronique de puissance, la quantification et la surveillance actives de l'inertie disponible deviennent essentielles dans les réseaux électriques modernes. De plus, face aux nouveaux scénarios d'exploitation caractérisés par des distorsions harmoniques plus élevées et une dynamique plus rapide, la surveillance précise de la fréquence fondamentale et du ROCOF représente un défi majeur. Par conséquent, de nouvelles procédures et de nouveaux instruments de mesure doivent être développés et validés afin de fournir aux gestionnaires de réseau des mesures plus fiables. Le projet QUINPORTION était axé sur le développement et la caractérisation complète d'un nouveau prototype de PMU répondant aux exigences normatives et conçu pour relever les défis posés par les réseaux à faible inertie. L'autre axe majeur du projet a été le développement, la mise en oeuvre et l'évaluation d'algorithmes adaptés à la quantification dynamique de l'inertie physique et virtuelle dans les réseaux électriques.

Conformément à ces travaux, une PMU améliorée a été développée à l'aide du contrôleur industriel NI cRIO-9054 et du modèle multifréquence de Taylor-Fourier pour l'estimation des phaseurs, de la fréquence et du ROCOF. Parmi les différents tests réalisés, la fidélité des mesures de la PMU a été évaluée au sein de bancs d'essai sophistiqués de type « Hardware-in-the-Loop ». À cet égard, le dispositif a été comparé à un système de protection, d'automatisation et de contrôle Schweitzer Engineering Laboratories SEL-421 (qui intègre une PMU conforme à la norme IEEE C37.118). Différentes métriques de validation ont confirmé que l'ensemble de la chaîne de mesure (des signaux physiques aux métriques finales traitées) fonctionne avec une précision suffisante et une faible latence pour une surveillance efficace de la stabilité en temps réel. De plus, en soumettant la PMU à des dynamiques de réseau réalistes et sévères dans un environnement contrôlé, il a été vérifié que le matériel physique peut fournir des données de qualité et de réactivité suffisantes. Les résultats obtenus à cet égard représentent une étape cruciale dans le niveau de maturité technologique, réduisant efficacement les risques liés à la solution proposée et ouvrant la voie à des mises en oeuvre pilotes avec les partenaires TSO.

De même, à partir des résultats concernant l'estimation de l'inertie, des simulations hors ligne et en temps réel ont démontré l'efficacité et la précision des approches d'identification de systèmes récursifs pour l'approximation de l'inertie dans les réseaux électriques. L'utilisation de mesures de fréquence ambiante et de puissance active, ainsi que de modèles paramétriques tels que ARMAX, ARX et OE, a permis de vérifier, sur une plateforme de simulation en temps réel, la capacité de ces modèles à extraire l'inertie de manière continue et dynamique. La précision numérique, l'efficacité de calcul et la robustesse de ces alternatives sont démontrées par l'estimation de la constante d'inertie des générateurs syn-chrones et des contributions virtuelles d'une ressource pilotée par onduleur avec commande de ma-chine synchrone virtuelle. Ainsi, des informations précieuses ont été obtenues concernant les aspects pratiques et le potentiel des méthodes choisies pour des applications réelles dans les réseaux élec-triques.